CN110197917A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统，其包括：燃料电池组，其包括：堆叠体，其中堆叠单体电池，单体电池包括第一和第二单体电池，第一单体电池位于堆叠体的第一端，第二单体电池位于堆叠体的第二端，第一单体电池在重力方向上位于第二单体电池上方；反应气体流路，其形成在堆叠体中；和冷却水流路，其形成在堆叠体中，从第二端延伸到第一端且再次延伸到第二端；泵，其将冷却水供给到冷却水流路；供给装置，其将反应气体供给到反应气体流路；和控制装置，其构造成包括：气泡检测部，其构造成检测冷却水流路中的气泡的积聚；和原因判定部，其构造成：当气泡检测部检测到气泡的积聚时，判定气泡的积聚是否是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术

燃料电池组包括堆叠体，该堆叠体包括被堆叠起来的单体电池。堆叠体设置有反应气体流路和冷却水流路，反应气体流经反应气体流路，冷却水流经冷却水流路。当气泡在冷却水流路中积聚时，燃料电池组的冷却效率被降低，这可能降低燃料电池组的电力生成效率。为了解决该问题，在日本未审专利申请特开第2014-86156号中，通过改变将冷却水供给到冷却水流路的泵的旋转速度，气泡被从冷却水流路排出。

如上所述，当气泡在冷却水流路中积聚时，优选依据气泡的积聚的原因来采取适当的行动。然而，通常，尚未判定出原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统判定燃料电池组的冷却水流路中气泡的积聚的原因。

通过一种燃料电池系统来实现以上目的，所述燃料电池系统包括：燃料电池组，所述燃料电池组包括：堆叠体，在所述堆叠体中单体电池被堆叠起来，所述单体电池包括第一单体电池和第二单体电池，所述第一单体电池位于堆叠体的第一端上，所述第二单体电池位于堆叠体的第二端上，第一单体电池在重力方向上位于第二单体电池的上方；反应气体流路，所述反应气体流路被形成在堆叠体中；以及冷却水流路，所述冷却水流路被形成在堆叠体中，并且从第二端延伸到第一端并且再次延伸到第二端；泵，所述泵将冷却水供给到冷却水流路；供给装置，所述供给装置将反应气体供给到反应气体流路；以及控制装置，所述控制装置被构造成包括：气泡检测部，所述气泡检测部被构造成检测冷却水流路中的气泡的积聚；以及原因判定部，所述原因判定部被构造成：当气泡检测部检测到气泡的积聚时，判定气泡的积聚是否是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起。

燃料电池系统可以包括除去装置，所述除去装置被构造成：当判定出气泡的积聚不是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起时，从冷却水流路除去积聚的气泡。

除去装置可以包括泵，通过增大和减小泵的旋转速度，所述泵从冷却水流路排出气泡。

燃料电池系统可以包括警报装置，所述警报装置被构造成：当判定出气泡的积聚是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起时，发出警报。

在泵被停止并且供给装置正在将反应气体供给到反应气体流路的状态下，原因判定部可以被构造成：当冷却水流路中的压力的增大量不小于预定值时，判定出气泡的积聚是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起。在泵被停止并且供给装置正在将反应气体供给到反应气体流路的状态下，原因判定部可以被构造成：当反应气体流路中的压力的减小量不大于预定值时，判定出气泡的积聚是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起。

原因判定部可以被构造成：当供给装置增大向反应气体流路的反应气体的供给量并且因此单体电池中具有最小电池电压的一个单体电池的位置在重力方向上向下移动时，判定出气泡的积聚是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起。原因判定部可以被构造成：当供给装置增大向反应气体流路的反应气体的供给量并且因此单体电池中具有最高温度的一个单体电池的位置在重力方向上向下移动时，判定出气泡的积聚是由反应气体从反应气体流路的泄漏引起。

本发明的效果

根据本发明，能够提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统判定燃料电池组的冷却水流路中气泡的积聚的原因。

附图说明

图1是被安装在车辆上的燃料电池系统的略图；

图2是形成电池组的堆叠体的示意图；

图3是图示由控制装置执行的控制的示例的流程图；

图4A至图4C是冷却水流路中不存在气泡的情形的解释视图，并且图4D至图4F是气泡在冷却剂流路中积聚的情形的解释视图；

图5是图示气泡检测处理的示例的流程图；

图6A是图示实施例的原因判定条件确认处理的示例的流程图，并且图6B是图示本实施例中的原因判定处理的示例的流程图；

图7是图示原因判定条件确认处理的变型的示例的流程图；

图8A是图示原因判定条件确认处理的变型的示例的流程图，并且图8B是图示原因判定处理的变型的示例的流程图；

图9是图示原因判定处理的变型的示例的流程图；

图10A和图10B是图示原因判定处理的变型的流程图；

图11A是图示原因判定条件确认处理的变型的流程图，并且图11B是图示原因判定处理的变型的流程图；并且

图12A至图12F是关于单体电池的电池电压的变化的解释视图。

具体实施方式

图1是被安装在车辆上的燃料电池系统1的略图。车辆例如是燃料电池车辆、电动车辆和混合动力车辆。燃料电池系统1(下文中称为系统)可以被应用到除了车辆之外的各种移动体(例如，船舶、航空器和机器人)和固定电源。系统1包括燃料电池组(下文称为电池组)20、控制装置30、氢气供给系统120、空气供给系统140和冷却水供给系统160。系统1将由电池组20生成的电力供给到包括用于使车辆行驶的马达的电部件。

控制装置30是计算机，该计算机包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。控制装置30通过加收传感器输入来执行系统1的各种控制，传感器输入例如是来自点火开关101和加速器踏板AP的信号。安装在车辆上的点火开关101被电连接到控制装置30。因此，当点火开关101被接通时，控制装置30开启系统1，并且当点火开关101被关断时，控制装置30停止系统1。由外部空气温度传感器102检测到的外部控制温度被输出到控制装置30，这将在稍后详细描述。人机接口(HMI)装置103是警报装置的示例，该警报装置在预定情形中向车辆的乘员发出警报，这将在稍后详细描述。HMI装置103包括发出警报的警报装置，该警报装置例如包括可以用图像显示警报的显示器或者可以通过声音输出警报的扩音器中的至少一个。

电池组20是固体聚合物电解质类型的，包括被堆叠起来的单体电池，并且通过接收燃料气体(例如，氢气)和氧化剂气体(例如，空气)作为反应气体来发电。由电池组20生成的电流和电压分别由电流传感器106和电压传感器107检测。检测结果被输出到控制装置30。稍后将描述电池监控器108。电池组20包括燃料气体流经的燃料气体流路12、氧化剂气体流经的氧化剂气体流路14以及冷却水流经的冷却水流路16。稍后将详细描述电池组20。

氢气供给系统120将氢气供给到电池组20以用于发电。更具体地，氢气供给系统120包括罐110、氢气供给路径121、循环路径122、排出路径123、罐阀124、压力调节阀125、喷射阀126、循环泵127、气液分离器128、开关阀129和压力传感器12P。氢气供给系统120是将氢气供给到电池组20的燃料气体流路12的供给装置的示例。

氢气被从罐110通过氢气供给路径121供给到电池组20的燃料气体流路12。罐阀124、压力调节阀125和喷射阀126被以该顺序从氢气供给路径121的上游侧布置。循环路径122使从电池组20的燃料气体流路12排出的燃料废气循环到氢气供给路径121。氢气的供给量由控制装置30调节，控制装置30基于加速器踏板AP的操作来控制阀的打开和关闭。

循环泵127和气液分离器128被布置在循环路径122上。循环泵127使在气液分离器128处分离的燃料废气循环到氢气供给路径121。在气液分离器中分离的水汽和一部分燃料废气经由从气液分离器128分支的排出路径123和经由开关阀129被排出到排出路径142。压力传感器12P被布置在电池组20的燃料气体流路12的出口和气液分离器128之间的循环路径122上。压力传感器12P检测电池组20的燃料气体流路12中的压力，即，燃料气体流路12中的燃料气体的压力。检测结果被输出到控制装置30。

空气供给系统140将空气供给到电池组20。更具体地，空气供给系统140包括空气压缩机149、空气供给路径141、排出路径142、旁通阀145、消音器146、中间冷却器147、旁通路线148和压力传感器14P。空气供给系统140是将空气供给到电池组20的氧化剂气体流路14的供给装置的示例。

经由空气滤清器144从外部获得的空气经过空气供给路径141。空气被空气压缩机149压缩并且被中间冷却器147冷却，并且然后被供给到电池组20的氧化剂气体流路14。

旁通阀145被布置在旁通路线148从空气供给路径141分支的分支点处。旁通阀145调节供给到电池组20的空气的流量和经由旁通路线绕过电池组20的空气的流量。排出路径142将从电池组20的氧化剂气体流路14排出的氧化剂废气排出到大气。压力调节阀143调节氧化剂废气的流量和阴极侧上的背压。压力传感器14P被布置在电池组20的氧化剂气体流路14的出口和压力调节阀143之间的排出路径142上。压力传感器14P检测电池组20的氧化剂气体流路14中的压力，换言之，氧化剂气体流路14中的氧化剂气体的压力。检测结果被输出到控制装置30。供给到电池组20的空气量以及氢气量也由控制装置30调节，控制装置30基于加速器踏板AP的操作来控制各种装置。消音器146被布置在排出路径142上并且减少由经过排出路径142引起的噪音。

电池组20被冷却水供给系统160冷却，冷却水供给系统160使冷却水通过预定路径循环。具体地，冷却水供给系统160包括散热器150、风扇152、储存罐154、循环路径161、旁通路线162、三通阀163、电动泵164、离子交换器165、水压传感器16P、水温传感器16T和分配路径169。

由泵164加压并进给的冷却水循环通过循环路径161。通过在散热器150处与被风扇152吹送的空气交换热，冷却水被冷却。如上被冷却的冷却水被供给到电池组20的冷却水流路16，电池组20然后被冷却。水压传感器16P检测从电池组20的冷却水流路16排出并且流经循环路径161的冷却水的压力。检测结果被输出到控制装置30。因为水压传感器16P被布置在电池组20的冷却水流路16的出口附近，所以水压传感器16P大体上检测冷却水流路16中的压力。水温传感器16T检测从电池组20的冷却水流路16排出并且流经循环路径161的冷却水的温度。水温传感器16T检测从电池组20的冷却水排出路径排出的、在流入散热器150中之前的冷却水的温度。冷却水的该温度近似与电池组20的温度相关。因此，水温传感器16T大体上检测电池组20的温度。旁通路线162从循环路径161分支并且绕过散热器150。三通阀163调节循环通过旁通路线162的冷却水的流量。离子交换器165被布置在旁通路线162上，使得循环通过旁通路线162的一部分冷却水流入离子交换器165中。

存储罐154被连接到散热器150。存储罐154是存储冷却水的大气敞开式容器。因此，存储在存储罐154中的冷却水的表面中的压力是大气压力。剩余冷却水被存储在存储罐154中，存储罐抑制通过每个路径循环的冷水的液体量的减少。存储罐154也用作是冷却水中混合的气泡分离的气液分离器。

从循环路径161分支的分配路径169被连接到中间冷却器147并且被再次连接到循环路径161。因此，冷却水经由分配路径169被供给到中间冷却器147，并且经过中间冷却器147的空气被该冷却水冷却。

图2是形成电池组20的堆叠体10的示意图。单体电池10-1、10-2…10-n被堆叠起来以形成堆叠体10，其中“n”是正整数。单体电池被布置在与重力方向近似等同的堆叠方向上。换言之，单体电池被布置在堆叠体10中，使得一个端侧上的单体电池10-1在重力方向上在另一个端侧上的单体电池10-n的上方。单体电池10-1在重力方向上位于堆叠体10的最上侧上。单体电池10-n在重力方向上位于堆叠体10的最下侧上。每个单体电池包括膜电极气体扩散层组件(MEGA)、支撑MEGA的绝缘构件和保持MEGA和绝缘构件的一对分隔器。MEGA包括电极膜、分别被形成在电极膜的两侧上的催化剂层和分别被接合到催化剂层的一对气体扩散层。另外，尽管未示出，一对集流板、一对绝缘板和一对端板被布置成保持单体电池。电池监控器108检测每个单体电池的电池电压并且将检测结果输出到控制装置30。

上述的冷却水流路16被形成在堆叠体10中。冷却水流路16包括冷却水供给歧管16a和冷却水排出歧管16b(下文中都描述成冷却水歧管)以及被限定在相邻单体电池的分隔器之间的流路(未示出)，冷却水歧管在堆叠方向上穿过堆叠体10。冷却水歧管16a和16b被形成为穿过所有单体电池。此外，冷却水歧管16a和16b被形成为穿过布置在单体电池10-n侧上的集流板、绝缘板和端板。冷却水从如上所述的循环路径161流入到冷却水歧管16a中，并且经由流路(未示出)从冷却水歧管16b排出到循环路径161。换言之，被形成在堆叠体10中的冷却水流路16从另一端侧上的单体电池10-n延伸到所述一端侧上的单体电池10-1，并且再次延伸到所述另一端上的单体电池10-n。冷却水在如上形成的冷却水流路16中流动，由此对单体电池进行冷却。在该说明书中，被形成在堆叠体10中的冷却水流路16表示所有冷却水歧管16a和16b和在相邻单体电池之间形成的流路。

电池组20的燃料气体流路12具有与冷却水流路16相似的结构。燃料气体流路12包括在堆叠方向上穿过堆叠体10的燃料气体供给歧管和燃料气体排出歧管以及被限定在一对分隔器中的一个分隔器和每个单体电池的MEGA之间的流路(未示出)。类似地，氧化剂气体流路14包括在堆叠方向上穿过堆叠体10的氧化剂气体供给歧管和氧化剂气体排出歧管以及被限定在一对分隔器中的另一个分隔器和每个单体电池的MEGA之间的流路(未示出)。由于以上情况，燃料气体和氧化剂气体被供给到每个单体电池，并且然后电池组20生成电力。

控制装置30执行以下控制，所述控制包括：气泡检测处理，所述气泡检测处理检测冷却水流路16中的气泡的积聚；原因判定条件确认处理，所述原因判定条件确认处理确认执行原因判定处理的前提条件；判定处理，所述判定处理判定是否存在泄漏；气泡排出处理，所述气泡排出处理从冷却水流路16排出气泡；以及气泡排出禁止处理，所述气泡排出禁止处理禁止气泡排出处理，稍后将详细描述所有这些处理。以上所有处理由控制装置30的CPU、ROM和RAM在功能上实现。现在描述由控制装置30执行的控制。

图3是图示由控制装置30执行的控制的示例的流程图。以预定间隔重复执行该控制。首先，控制执行气泡检测处理(步骤S1)，所述气泡检测处理判定气泡是否在冷却水流路16中积聚。当冷却水流路16中存在气泡时，电池组20不被充分冷却并且电力生成效率可能被降低。因此，执行气泡检测处理。稍后将详细描述气泡检测处理。在冷却水流路16中的气泡的积聚的可能原因是混合空气或者泄露的反应气体。在制造系统1时或者在交换系统1的冷却水时，混合空气被混合在冷却水供给系统160中。泄漏的反应气体从燃料气体流路12和氧化剂气体流路14中的一个流路泄漏到冷却水流动流经16。例如，在燃料气体从燃料气体流路12泄漏到冷却水流路的情形可能由密封构件的密封性能的退化引起，出于一些原因，密封构件密封燃料气体流路12和电池组20中的冷却水流路16。以上适用于氧化剂气体从氧化剂气体流路14泄漏到冷却水流动流经16的情形。

接下来，基于气泡检测处理的结果来判定气泡是否积聚(步骤S3)。当在步骤S3中做出否定性判定时，该控制结束。在步骤S3中做出的肯定判定之后接着的是原因判定条件确认处理(步骤S5)，所述原因判定条件确认处理确认是否满足判定条件。然后，基于原因判定条件确认处理的结果，判定是否满足原因判定条件(步骤S7)。原因判定条件是执行稍后将描述的原因判定处理所要求的预定条件。稍后也将描述原因判定条件。当在步骤S7中做出否定性判定时，该控制结束。当在步骤S7中做出肯定性判定时，执行原因判定处理(步骤S9)。执行原因判定处理以用于判定冷却水流路16中的气泡的积聚是否是由反应气体的泄漏引起。

此后，判定反应气体的泄漏是否存在(步骤S11)。当在步骤S11中做出否定性判定时，执行气泡排出处理(步骤S13)。在该处理中，通过增大和减小泵164的旋转速度来从冷却水流路16排出气泡。更具体地，泵164被以预定间隔重复地并且交替地在高旋转速度和低旋转速度之间切换。由于以上情况，冷却水流路16中的冷却水的流量被重复地增大和减小，并且因此有利于气泡从冷却水流路16排出。从冷却水流路16排出的气泡被经由循环路径161引导到存储罐154并且然后被排出到大气。以上述方式，气泡被从冷却水供给系统160排出。泵164是除去装置的示例，泵164被构造成从冷却水流路16除去积聚的气泡。因此，能够抑制从冷却水流路16排出的气泡再次返回到电池组20的冷却水流路16，并且抑制电池组20的冷却性能和电力生成效率的退化。

泵164被描述成除去装置的示例，除去装置不限于泵164。例如，除去装置可以是使电池组20振动的振动器。振动器使电池组20振动并且从冷却水流路16除去气泡。振动器例如是使用压电陶瓷诸如PZT的超声振动器。这样的振动器被布置在电池组20的壳体的外壁表面上，并且使电池组20振动到不引起单体电池的错动的程度。流路沟槽被形成在分隔器的面向彼此的面向表面侧上并且具有凹凸形状。由于以上情形，能够有利于积聚在流路沟槽中的气泡流动到冷却水歧管16b并且有利于气泡从冷却水流路16排出。

在步骤S11中做出肯定性判定之后接着的是执行禁止气泡排出处理的上述气泡排出禁止处理(步骤S15)。如上所述，在步骤S11中做出肯定性判定的情形表示反应气体从燃料气体流路12和氧化剂气体流路14中的至少一个流路泄漏到冷却水流路16的状态。因此，即使通过执行气泡排出处理来将气泡从冷却水流路16排出，反应气体仍可能再次泄漏到冷却水流路16，并且气泡可能积聚在冷却水流路16中。在该情形中，要求重复执行气泡排出处理以便从冷却水流路16排出气泡，这增大了能耗。考虑以上因素，根据本实施例，当判定出存在反应气体的泄漏时，禁止气泡排出处理，使得能够抑制用于执行气泡排出处理的泵164的能耗。

在执行气泡排出禁止处理之后，执行警报处理(步骤S17)。在警报处理中，HMI装置103发出警报给车辆的乘员。示例性警报在HMI装置103的显示屏上显示催促驾驶员检查或维修电池组20的图像。当判定出存在泄漏时，也可以禁止电池20生成电力并且禁止泵164运行。当判定出存在泄漏时，也可以切换车辆的行驶模式到节能行驶模式，其中仅能使用节能行驶模式。在节能行驶模式中，车辆能够用二次电池(未示出)来行驶，而电池组20的运行被停止。步骤S17可以在步骤S15之前执行。

如上所述，堆叠体10的一个端侧上的单体电池10-1在重力方向上位于另一端侧上的单体电池10-n的上方。与单体电池被水平堆叠起来的情形相比，本实施例的该布置几乎不从冷却水流路16排出气泡，如稍后将详细描述的。因此，在本实施例的气泡排出处理中，泵164的旋转速度的上限被设定成相对高，这增大了能耗。因此，当判定出存在泄漏时禁止执行气泡排出处理适用于气泡排出处理消耗相对大量能量的情形，如本实施例所示。

现在描述气泡检测处理。图4A至图4C是冷却水流路16中不存在气泡的情形的解释图。图4A图示堆叠的本体10。图4B图示每个单体电池的温度。图4C图示每个单体电池的电池电压。图4B和图4C中的纵向轴线代表每个单体电池的堆叠位置。在纵向轴线上的最上位置处的单体电池是单体电池10-1，单体电池10-1在重力方向上位于最上侧。在纵向轴线上的最下位置处的单体电池是单体电池10-n，单体电池10-n在重力方向上位于最下侧。图4B中的水平轴线指示每个单体电池的温度，并且图4C的水平轴线指示每个单体电池的电池电压。图4B中的水平轴线的左侧指示低温度，并且图4B中的水平轴线的右侧指示高温度。图4C中的水平轴线的左侧指示低电压，并且图4C中的水平轴线的右侧指示高电压。当冷却水流路16中不存在气泡时，每个单体电池近似相等地被冷却水冷却，并且每个单体电池的温度近似相同。由于以上情况，每个单体电池的电力生成效率得到保证，并且每个单体电池的电池电压近似相同，由此整个电池组20的电力生成效率得到保证。

图4D至图4F是气泡在冷却水流路16中积聚的情形的解释图。图4D至图4F分别对应于图4A至图4C。如在图4D中所示，当气泡被混合到冷却水流路16中时，由于作用在气泡上的浮力，气泡移动到在重力方向的最上位置处的单体电池10-1的附近。然后，气泡的积聚在靠近单体电池10-1的冷却水歧管16a和16b或者单体电池之间的流路中。将在以上区域中积聚的气泡从冷却水流路16中排出要求气泡利用在重力方向上延伸的冷却水歧管16b中的冷却水的压力克服重力方向上的浮力向下流动。堆叠体10的结构使得难以排出气泡。当堆叠体被布置成使得堆叠方向对应于水平方向时，冷却水歧管也水平延伸，并且气泡利用压力被容易地排出而不克服浮力移动。

在本实施例中，当单体电池10-1周围积聚的气泡的量增大时，气泡不仅积聚在单体电池10-1的周围，还积聚于在重力方向上位于单体电池10-1的下侧处的一些单体电池周围。气泡的周围的单体电池因为气泡而不被充分冷却，并且气泡周围的单体电池的温度增大。因此，气泡周围的单体电池的电解质膜的干燥进行。因此，气泡周围的单体电池的电池压力低于其他单体电池的电池电压。

如在图4F中所示，位于重力方向上的最上位置处的单体电池10-1的电池电压不是最低的。稍微位于单体电池10-1的下方的电源电池10-4的电池电压是最低的。这是因为单体电池10-1位于堆叠体10的最外侧处，并且单体电池10-1的散热被加速。因此，单体电池10-1和与该单体电池10-1相邻的单体电池10-2容易被冷却。相比之下，位于单体电池10-4的下方的单体电池的电池电压被恢复。这是因为在位于单体电池10-4的下方的单体电池的周围不存在气泡，并且冷却水的冷却效果逐渐增大。

在气泡检测处理中，通过考虑如上所述的每个单体电池的电池电压的特征来判定气泡是否积聚在堆叠体10的冷却水流路16中。图5是图示气泡检测处理的示例的流程图。首先，判定在通过电池监控器108获得的单体电池的电池电压中具有最小电池电压的单体电池是否位于堆叠体10的上侧上(步骤S101)。更具体地，判定具有最小电池电压的单体电池是否位于单体电池10-1和单体电池10-(n/10)之间。如上所述，n指示单体电池的总数。单体电池10-(n/10)是从最上侧起的第n/10个单体电池。

当在步骤S101中做出肯定性判定时，判定值是否小于阈值ΔV，所述值是通过从所有的单体电池的电池电压的平均电池电压减去最小电池电压获得的(步骤S103)。可以通过将由电池监控器108检测到的单体电池的电池电压的总值除以单体电池的总数量来计算平均电池电压。也可以通过将由电压传感器107检测到的电池组20的电压除以单体电池的总数量来计算平均电池电压。阈值ΔV被事先存储在控制装置30的ROM中。

当在步骤S103中做出肯定性判定时，判定位于具有最小电池电压的单体电池和单体电池10-1之间的单体电池的电池电压是否高于最小电池电压并且低于单体电池10-1的电池电压(步骤S105)。当在步骤S105中做出肯定性判定时，判定出在堆叠体10的冷却水流路16中存在气泡的积聚(步骤S107)。当在步骤S101、S103和S105中的任一个步骤中做出否定性判定时，判定出在冷却水流路16中不存在气泡的积聚(步骤S109)。可以在步骤S105中做另一判定。例如，可以仅基于具有最小电压的单体电池位于预定位置的上方的事实来判定出存在气泡的积聚。另一示例使用传感器检测每个单体电池的温度，并且基于每个单体电池的温度来判定是否存在气泡的积聚。该示例不使用上述电池电压。另一示例仅基于具有最高温度的单体电池位于预定位置的上方的事实来判定出存在气泡的积聚。

如上所述，当判定出存在气泡的积聚时(在步骤S3中为是)，执行原因判定条件确认处理(步骤S5)。当满足原因判定条件时(在步骤S7中为是)，执行原因判定处理(步骤S9)。现在将如下描述原因判定条件确认处理。

图6A是图示本实施例中的原因判定条件确认处理的示例的流程图。首先，通过参考来自点火开关101的输出来判定点火是否熄灭(步骤S51)。稍后将详细描述该判定。当在步骤S51中做出肯定性判定时，通过参考水温传感器16T的和外部空气温度传感器102的检测值，检测冷却水温度是否到达外部空气温度(步骤S53)。例如，当冷却水温度在冷却水温度和外部空气温度之间的差值几乎为零的预定范围内时，可以判定出冷却水温度到达外部空气温度。稍后将详细描述该判定。

当在步骤S53中做出肯定性判定时，判定电池组20的电压是否为零(步骤S55)。应注意的是，即刻地在点火熄灭之后，燃料气体和氧化剂气体剩余在电池组20中，使得电池组20的电压不变为零。因此，执行步骤S55的处理，这将在稍后被详细描述。当在步骤S55中做出肯定性判定时，判定出原因判定条件被满足(步骤S57)。当在步骤S51、S53和S55中的任意步骤中做出否定性判定时，判定出原因判定条件未被满足(步骤S59)。

如上所述，当判定出在执行原因判定条件确认处理之后满足原因判定条件时(在步骤S7中为是)，执行原因判定处理(步骤S9)。图6B是图示本实施例中的原因判定处理的示例的流程图。当在步骤S51、S53和S55中做出肯定性判定时，罐阀124、压力调节阀125和喷射阀126被控制成将预定量的燃料气体供给到燃料气体流路12(步骤S91)。罐阀124、压力调节阀125和喷射阀126是将燃料气体供给到燃料气体流路12的供给装置的示例。

然后，当从预定量的燃料气体被供给到燃料气体流路12时起经过预定时间时或之前，基于水温传感器16P的检测结果，判定冷却水流路16中的压力的增大量是否不小于阈值A1(步骤S93)。阈值A1是用于判定是否存在泄漏的值。阈值A1被基于实验结果来限定，在所述实验中，在存在和不存在泄漏的两种情形中，在供给燃料气体之后测量冷却水流路16中的压力。阈值A1被事先存储在控制装置30的ROM中。当在步骤S93中做出肯定性判定时，判定出存在泄漏，因为供给到燃料气体流路12的燃料气体的一部分泄漏到冷却水流路16，这导致冷却水流路16中的压力增大(步骤S95)。当在步骤S93中做出否定性判定时，判定不存在泄漏，因为供给到燃料气体流路12的燃料气体不影响冷却水流路16中的压力(步骤S95)。

在步骤S51中判定点火是否被熄灭的原因如下。在点火状态下，电池组20要求的电力生成的量被基于例如加速器踏板AP的操作量来切换，并且泵164的旋转速度被根据电力生成的要求量来调节。即，在点火状态下，冷却水流路16中的压力倾向于是可变的。因此，即使如上所述在点火状态下基于冷却水流路16中的压力的增大来执行原因判定处理，也不能够判定冷却水流路16中的压力增大是由泵164的旋转速度增大引起或由燃料气体的泄漏引起。因此，可能错误地判定出存在泄漏，因为冷却水流路16中的压力的增大量由于泵164的旋转速度的增大而不小于阈值A1，即使不存在泄漏。相反地，当点火熄灭时，泵164停止，并且冷却水流路16中的压力不受泵164的旋转速度影响。在该实施例中原因判定条件包括点火熄灭，并且泄漏判定的精确度因此被提高。

现在，描述如在步骤S53中判定在点火熄灭后冷却水温度是否几乎达到外部空气温度的原因。当点火熄灭时，电池组20生成电力的请求被停止，电池组20的温度逐渐降低并且最终变成大体上等于外部空气温度。冷却水的温度也变成大体上等于外部空气温度。当电池组20的温度降低时，堆叠体20热收缩。因此，冷却水流路16的内部容积增大，并且冷却水流路16中的压力减小。即，在电池组20的温度降低的同时，冷却水流路16中的压力倾向于降低。当在这样的状态下执行原因判定处理时，即使实际上存在泄漏，仍存在由于泄漏导致的冷却水流路16中的压力的增大量和由于电池组20的温度的降低导致的冷却水流路16中的压力的降低量之间的压力抵消的可能性。因此，即使存在泄漏，冷却水流路16中的压力的增大仍变得小于阈值A1，并且可能错误地判定不存在泄漏。原因判定条件包括这样的条件：其中在该实施例中冷却水的温度几乎达外部空气温度，使得泄漏判定的精确度被提高。作为该处理的替代，也可以判定冷却水的温度的改变速率是否变成在预定范围内。换言之，可以判定冷却水的温度是否几乎是恒定的。

现在描述如在步骤S55中判定在点火熄灭之后电池组20的电压是否为零的原因。如上所述，尽管在点火熄灭之后电池组20生成电力的请求被停止，但燃料气体和氧化剂气体仍可能留在电池组20的后方。残余燃料气体和残余氧化剂气体彼此反应，并且即使在点火被熄灭之后电池组20仍可能在预定时间段期间继续生成电力。当在电池组20使用残余反应气继续生成电力的同时执行原因判定处理，供给用于判定是否存在泄漏的燃料气体可能被用于与残余氧化剂气体的电力生成反应。此外，存在的可能是发生所谓的交叉泄漏。在交叉泄漏中，燃料气体穿过电解质膜并且流入氧化剂气体流路14中。因此，燃料气体被用于燃料气体和氧化剂气体流路14中的残余氧化剂气体的反应。上述原因和燃料气体从燃料气体流路12的泄漏的存在中任一种可能降低燃料气体到冷却水流路16的泄漏量和冷却水流路16中的压力增大，使得冷却水流路16中的压力增大变成小于阈值A1。因此，错误地判定出不存在泄漏。根据本实施例，原因判定条件被设计成包括这样的条件：其中电池组20的电压为零，使得泄漏判定的精确度被提高。作为该处理的替代，也可以判定电池组20的电压的改变速率是否等于或小于给定的阈值。

在以上实施例中，步骤S53和步骤S55的顺序并不重要。步骤S53中的处理是可选的。这是因为电池组20的温度可以在点火熄灭之后降低相对长时间。在该情形中，即使在电池组20的温度正在降低的同时，由于燃料气体的泄漏导致的冷却水流路16中的压力的增大仅受轻微影响，并且几乎不影响泄漏判定的精确度。

现在，描述以上控制的变型。在变型中，与以上实施例的处理相同的处理的描述被省略。图7是图示原因判定条件确认处理的变型的示例的流程图。在上述步骤S51之后，基于压力传感器14P的检测结果来判定氧化剂气体流路14中的压力的改变速率是否等于或小于阈值α1(步骤S55a)。阈值α1是表示氧化剂气体流路14中剩余的氧化剂气体几乎消失的值。阈值α1事先通过实验获得并且被存在控制装置30的ROM中。即，在点火熄灭之后判定氧化剂气体流路14中的压力是否逐渐降低并且变成大体上恒定。当在步骤S55a中做出肯定性判定时，判定出原因判定条件被满足(步骤S57)。当在步骤S55a中做出否定性判定时，判定出原因判定条件未被满足(步骤S59)。

描述在点火熄灭之后在步骤S55a中判定氧化剂气体流路14中的压力的改变速率是否等于或小于阈值α1的原因。如上所述，即刻地在点火熄灭之后，氧化剂气体可能剩余在氧化剂气体流路14中。在该情形中，如果燃料气体被供给到燃料气体流路12，则可能如上所述发生交叉泄漏。然后，即使燃料气体从燃料气体流路12泄漏，仍可能错误地判定出不存在泄漏。原因判定条件包括这样的条件：其中在该变型中氧化剂燃料气体流路14中的压力的改变速率等于或小于阈值α1，使得泄漏判定的精确度被提高。另外，在点火熄灭之后氧化剂气体流路14中的压力的改变速率等于或小于阈值α1的状态下，能够认为燃料气体流路12中的压力近似恒定，因为燃料气体流路12中的燃料气体剩余物已经被使用。因此，即使燃料气体被供给到燃料气体流路12，泄漏判定的精确度仍不被影响。该变型也可以包括在原因判定条件中的前述步骤S53。

图8A是图示原因判定条件确认处理的变型的示例的流程图。图8B是图示原因判定处理的变型的示例的流程图。不像上述情形，在该变型中，在电池组20在点火打开之后正在生产电力的同时，执行原因判定条件确认处理和原因判定处理。如在图8A中所示，判定冷却水流路16中的压力的改变速率是否等于或小于阈值α2(步骤S55b)。阈值α2是这样的值，该值使得能够在存在泄漏的情况下燃料气体的供给量被增大时，检测冷却水流路16中的压力的增大。阈值α2事先通过实验获得并且被存在控制装置30的ROM中。当冷却水流路16中的压力的改变速率等于或小于阈值α2时，电池20要求的电力生成量具有小的变化速率，如在怠速状态下。在这样的情形中，泵164的旋转速度也几乎恒定。因此，冷却水流路16中的压力的改变速率可能等于或小于阈值α2。当在步骤S55b中做出肯定性判定时，判定出原因判定条件被满足(步骤S57)。当在步骤S55b中做出否定性判定时，判定出原因判定条件未被满足(步骤S59)。

在该变型中的原因判定处理中，如在图8B中所示，燃料气体的供给量从燃料气体的供给量增大预定量，这基于电池组20要求的电力生成量事先限定，使得燃料气体流路12中的压力高于冷却水流路16中的压力(步骤S91b)。然后，在燃料气体的供给量被增大时起经过预定时间之前，基于水压传感器16P的检测结果，判定冷却水流路16中的压力的增大是否等于或大于阈值A2(步骤S93b)。阈值A2是用于判定是否存在泄漏的值。阈值A2被基于实验结果来限定，在所述实验中，在存在和不存在泄漏的两种情形中，在燃料气体的供给量被增大之后测量冷却水流路16中的压力。阈值A2被存储在控制装置30的ROM中。当在该变型中判定出存在泄漏时，电池组20的电力生成可能被强行停止。

作为以上步骤S93b中的处理的替代，也可以执行以下处理。首先，处理指的是映射并且计算在不具有泄漏的正常状态下的冷却水流路16的压力(下文中，以上压力称为正常压力)。映射限定在不具有泄漏的正常状态下的泵164的旋转速度、冷却水的温度和冷却水流路16中的压力之间的关系。正常压力随着泵164的旋转速度增大而增大。正常压力随着冷却水的温度增大而增大。接下来，判定通过从由水压传感器16P检测到的冷却水流路16中的实际压力减去正常压力计算出的值是否小于预定值。当做出肯定性判定时，认为实际压力由于燃料气体的供给量的增大而从正常压力大大地增大，并且存在泄漏。当做出否定性判定时，认为实际压力近似等于正常压力并且不存在泄漏。

在点火打开的状态下执行图8A和图8B中所示的变型时，在这些变型中通过停止对泵164的电力供给来执行气泡排出禁止处理。因此，泵164的电力消耗被抑制。与停止对泵164的电力供给一起，电池组20的电力生成被停止。气泡排出禁止处理可以这样的方式执行：泵164的旋转速度的上限保护值被设定成小于当不存在泄漏时使用的值。该设定抑制气泡排出处理期间泵164的电力消耗。当判定出存在泄漏时使用的上限保护值被设定成小于当执行气泡排出处理时使用的泵164的最大旋转速度。

图9是图示原因判定处理的变型的流程图。该变型假设原因判定条件包括点火熄灭的条件，如下图6A和图7中所示。判定在执行步骤S91之后在预定时间段期间燃料气体流路12中的压力的降低是否等于或大于阈值A3(步骤S93c)。阈值A3是用于判定是否存在泄漏的值。阈值A3被基于实验结果来限定，在所述实验中，在存在和不存在泄漏的两种情形中，在供给燃料气体之后测量燃料气体流路12中的压力。由此获得的阈值A3被事先存储在控制装置30的ROM中。在燃料气体的供给期间，燃料气体流路12中的压力增大。在供给被停止之后，在不存在泄漏的情况下，燃料气体流路12中减小相对小量的压力，而在存在泄漏的情况下，在燃料气体流路12中减小相对大量的压力。以此方式，基于燃料气体流路12中的压力的减小而不是冷却水流路16中的压力的增大，能够判定是否存在泄漏。仅在步骤S93和S93c中都做出肯定性判定时，可以判定出存在泄漏。这提高了泄漏判定的准确度。

图10A是图示原因判定处理的变型的流程图。该变型假设图6A和图7中所示的原因判定条件。与上述原因判定条件不同，作为将燃料气体供给到燃料气体流路12的替代，通过控制空气压缩机149，预定量的氧化剂气体被供给到氧化剂气体流路14(步骤S91d)。空气压缩机149是将氧化剂气体供给到氧化剂气体流路14的供给装置的示例。然后，执行步骤S93中的处理，如上所述。当氧化剂气体从氧化剂气体流路14泄漏到冷却水流路16时，冷却水流路16中的压力的增大量不小于阈值A1，并且因为判定出存在泄漏。以此方式，能够通过氧化剂气体的供给来判定是否存在泄漏，所述泄漏由氧化剂气体流路14和冷却水流路16之间的密封的退化引起。

图10B是图示原因判定处理的变型的流程图。该变型假设图6A和图7中所示的原因判定条件。在预定量的氧化剂气体被供给到氧化剂气体流路14(步骤S91d)之后，判定氧化剂气体流路14中的压力的减小量是否小于阈值A4(步骤S93d)。阈值A4是用于判定是否存在泄漏的值。阈值A4被基于实验结果来限定，在所述实验中，在存在和不存在泄漏的两种情形中，在供给氧化剂气体之后测量氧化剂气体流路14中的压力。由此获得的阈值A4被事先存储在控制装置30的ROM中。在氧化剂气体的供给期间，氧化剂气体流路14中的压力增大。在供给被停止之后，在不存在泄漏的情况下，氧化剂气体流路14中减小相对小量的压力，而在存在泄漏的情况下，在氧化剂气体流路14中减小相对大量的压力。仅在步骤S93和S93d中都做出肯定性判定时，可以判定出存在泄漏。在图10A和图10B中所示的变形中，在燃料气体流路12中存在很少燃料气体的情况下，氧化剂气体被供给到电池组20。因此，电池组20变成缺氢状态，这可能影响电池组20的电力生成性能。因此，当认为很可能存在泄漏时，或者当罐110中几乎不剩余燃料气体时，可以执行图10A和图10B中的振动。

图11A是图示原因判定条件确认处理的变型的流程图。图11B是图示原因判定处理的变型的流程图。图11B中的原因判定处理假设图11A中所示的原因判定条件确认处理。判定电池组20的电压是否不为零(步骤S51e)。换言之，判定电池组20是否正在生成电力。当在步骤S51e中做出肯定性判定时，判定电池组20的电压的改变速率是否不大于阈值α3(步骤S55e)。即，判定电力生成期间电池组20的电力生成量是否近似恒定。当在步骤S55e中做出肯定性判定时，判定出原因判定条件被满足(步骤S57)。当在步骤S51e和S55e中的任一个步骤中做出否定性判定时，判定出原因判定条件未被满足(步骤S59)。

如在图11B中所示，燃料气体的供给量被增大预定量(步骤S91b)。然后，参考电池监控器108的检测结果，并且判定在燃料气体的供给量被增大之后单体电池的电池压力中输出最小电池电压的单体电池的位置是否在重力方向上向下移动。稍后将详细描述步骤S93e的处理。当在步骤S93e中做出肯定性判定时，判定出存在泄漏(步骤S95)。当在步骤S93e中做出否定性判定时，判定出不存在泄漏(步骤S97)。

现在描述以上步骤S93e。图12A至图12F是关于单体电池的电池电压的变化的解释视图。图12A至图12C分别对应于图4D至图4F，图示气泡在冷却水流路16中积聚的情形。在存在泄漏的状态下，如果在气泡在冷却水流路16中积聚的状态下燃料气体的供给量被增大，则气泡被增大，如在图12D中所示，因为燃料气体的供给量的增大引起的气泡被进一步添加到在重力方向上的上侧处的冷却水流路16中积聚的气泡中。因此，如在图12E中所示，单体电池中具有最高温度的单体电池的位置在重力方向上向下移动。因此，如在图12F中所示，输出最小电池电压的单体电池的位置在重力方向上向下移动。如上所述，步骤S93e的处理获得在燃料气体的供给量被增大之前和之后的输出最小电池电压的单体电池的位置，并且判定燃料气体的供给量增大之后获得的单体电池的位置在重力方向上是否低于燃料气体的供给量增大之前获得的单体电池的位置。在图12C和图12F中所示的示例中，输出最小电池电压的单体电池从单体电池10-4变到单体电池10-6。以另一方式，用于检测单体电池的温度的传感器被用于判定是否存在泄漏。当燃料气体或氧化剂气体的供给量被增大并且具有最高温度的单体电池的位置在重力方向上向下移动时，判定出存在泄漏。

作为步骤S91b的替代，氧化剂气体的供给量可以被增大。当冷却水流路16中的压力的增大量大于如步骤S93e中的阈值时，除了在步骤S93e中做出的肯定性判定之外，也可以判定出存在泄漏。当燃料气体流路12中的压力的减小量大于阈值时，除了在步骤S93e中做出的否定性判定之外，也可以判定出存在泄漏。

尽管已经详细描述了本发明的一些实施例，但是本发明不限于特定实施例，而是可以在如所要求保护的本发明的范围内变化或改变。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池组，所述燃料电池组包括：

堆叠体，在所述堆叠体中单体电池被堆叠起来，所述单体电池包括第一单体电池和第二单体电池，所述第一单体电池位于所述堆叠体的第一端上，所述第二单体电池位于所述堆叠体的第二端上，所述第一单体电池在重力方向上位于所述第二单体电池的上方；

反应气体流路，所述反应气体流路被形成在所述堆叠体中；以及

冷却水流路，所述冷却水流路被形成在所述堆叠体中，并且从所述第二端延伸到所述第一端并且再次延伸到所述第二端；

泵，所述泵将冷却水供给到所述冷却水流路；

供给装置，所述供给装置将反应气体供给到所述反应气体流路；以及

控制装置，所述控制装置被构造成包括：

气泡检测部，所述气泡检测部被构造成检测所述冷却水流路中的气泡的积聚；以及

原因判定部，所述原因判定部被构造成：当所述气泡检测部检测到所述气泡的积聚时，判定所述气泡的积聚是否是由所述反应气体从所述反应气体流路的泄漏引起。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：

除去装置，所述除去装置被构造成：当判定出所述气泡的积聚不是由所述反应气体从所述反应气体流路的泄漏引起时，从所述冷却水流路除去积聚的气泡。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中：

所述除去装置包括所述泵，通过增大和减小所述泵的旋转速度，所述泵从所述冷却水流路排出气泡。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，还包括：

警报装置，所述警报装置被构造成：当判定出所述气泡的积聚是由所述反应气体从所述反应气体流路的泄漏引起时，发出警报。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，其中：

在所述泵被停止并且所述供给装置正在将所述反应气体供给到所述反应气体流路的状态下，所述原因判定部被构造成：当所述冷却水流路中的压力的增大量不小于预定值时，判定出所述气泡的积聚是由所述反应气体从所述反应气体流路的泄漏引起。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，其中：

在所述泵被停止并且所述供给装置正在将所述反应气体供给到所述反应气体流路的状态下，所述原因判定部被构造成：当所述反应气体流路中的压力的减小量不大于预定值时，判定出所述气泡的积聚是由所述反应气体从所述反应气体流路的泄漏引起。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，其中：

所述原因判定部被构造成：当所述供给装置增大向所述反应气体流路的反应气体的供给量并且因此所述单体电池中具有最小电池电压的一个单体电池的位置在所述重力方向上向下移动时，判定出所述气泡的积聚是由所述反应气体从所述反应气体流路的泄漏引起。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，其中：

所述原因判定部被构造成：当所述供给装置增大向所述反应气体流路的反应气体的供给量并且因此所述单体电池中具有最高温度的一个单体电池的位置因而在所述重力方向上向下移动时，判定出所述气泡的积聚是由所述反应气体从所述反应气体流路的泄漏引起。