CN102369621A - 燃料电池系统、用于该燃料电池系统的控制方法以及配备有该燃料电池系统的电动车辆 - Google Patents

燃料电池系统、用于该燃料电池系统的控制方法以及配备有该燃料电池系统的电动车辆 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统(100)，包括通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电力的燃料电池(11)和确定是否存在燃料气体泄漏的控制部分(50)。该控制部分具有起动装置和泄漏确定装置，所述起动装置用于通过将燃料电池的电压从起动电压升高到低于开路电压的操作电压而起动燃料电池，所述泄漏确定装置用于确定当燃料电池起动时在燃料电池的电压达到操作电压之前是否存在燃料气体泄漏。

Description

燃料电池系统、用于该燃料电池系统的控制方法以及配备有该燃料电池系统的电动车辆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统、一种用于该燃料电池系统的控制方法以及一种在起动电动车辆时对配备有该燃料电池系统的电动车辆执行的控制。
背景技术
现在正在考虑一种燃料电池的实际应用，该燃料电池向燃料电极供应作为燃料气体的氢气，并且向氧化剂电极供应作为氧化剂气体的空气，并且在于氧化剂电极上形成水的同时通过在氢气和空气中的氧气之间的电化学反应而产生电力。
在这种燃料电池中，如果在操作开始时，被供应到燃料电极的氢气的压力和被供应到氧化剂电极的空气的压力大约等于在常规操作期间发生的各自压力，则有时发生以下情况，即，氢气和空气分别地被非均匀地分布于燃料电极和氧化剂电极中，并且电极由于这些气体的非均匀分布引起的电化学反应而退化。日本专利申请公布No.2007-26891(JP-A-2007-26891)公开了一种通过使得在燃料电池的操作开始时分别地被供应到燃料电极和氧化剂电极的氢气和空气的压力高于这些气体的通常供应压力而防止燃料电池的电极退化的方法。
然而，如果当燃料电池开始操作时氢气和空气在高压下被供应到燃料电池，则有时发生以下情况，即，燃料电池的电压的升高率变大从而燃料电池的电压超越它的上限电压。与这个问题相结合地，日本专利申请公布No.2007-26891(JP-A-2007-26891)公开了一种方法，其中，当在起动燃料电池时以比在常规发电期间指定的它们的压力高的压力供应氢气和空气时，如果燃料电池的电压达到低于上限电压的预定电压，输出电力被从燃料电池提取，并且被传送到车辆驱动马达、电阻器等。
顺便提一句，因为燃料电池使用氢气作为燃料气体，所以有必要检查当燃料电池起动时不存在任何氢气泄漏。为此目次，一种方法通过密封氢气系统并且然后检查系统中的压力是否变低而确定从系统存在/不存在氢气泄漏。然而，在氢气和空气中的氧气正在燃料电池内经历电化学反应的状态期间，被供应到燃料电池的氢气通过电化学反应而被消耗。因此，即使当不存在任何氢气泄漏时被密封的氢气系统的压力也降低，并且氢气泄漏有时不能被准确地确定。因此，在如图8中所示的现有技术中，在于时间t0′接通点火键之后，由线a′示出的燃料电池的输出电压的控制值被设定为开路电压OCV。在时间t1′，通过供应被供应到燃料电池的氢气和氧气，燃料电池的电压开始升高，如由线b′所示，并且因此加压氢气系统和氧气系统。结果，燃料电池的电压被暂时地升高到开路电压OCV。然后，在现有技术方法中，在从时间t2′到时间t3′的时段期间，在此期间燃料电池的电压保持为开路电压OCV，检测是否存在氢气泄漏。当燃料电池的电压达到开路电压OCV时，在燃料电池内的氢气和氧气之间的电化学反应不再进行，从而被密封的氢气系统中的氢气不被消耗。因此，如果不存在任何氢气泄漏，则能够创建其中被密封的氢气系统中的压力几乎不经历任何降低的状态。然后，能够通过在前面的状态期间检测氢气系统的压力降低程度而确定是否存在氢气泄漏。然而，当燃料电池的电压达到开路电压OCV时，燃料电池的耐久性能够被不利地影响。
发明内容
本发明提供一种当燃料电池起动时在抑制对于燃料电池的耐久性的不利影响时确定是否存在氢气泄漏的燃料电池系统，并且还提供一种用于该燃料电池系统的控制方法以及一种配备有该燃料电池系统的电动车辆。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电力的燃料电池；以及确定是否存在燃料气体泄漏的控制部分。该控制部分具有：用于通过将燃料电池的电压从起动电压升高到低于开路电压的操作电压而起动燃料电池的起动装置；以及用于当燃料电池起动时在燃料电池的电压达到操作电压之前确定是否存在燃料气体泄漏的泄漏确定装置。
前面的燃料电池系统可以进一步包括：用于向燃料电池的燃料电极供应燃料气体的燃料气体供应装置；以及用于向燃料电池的氧化剂电极供应氧化剂气体的氧化剂气体供应装置，并且该起动装置可以通过利用燃料气体供应装置向燃料电池的燃料电极供应燃料气体并且然后利用氧化剂气体供应装置向氧化剂电极供应氧化剂气体而升高燃料电池的电压，并且该泄漏确定装置可以在从当供应燃料气体时到当开始供应氧化剂气体时的时段期间确定是否存在燃料气体泄漏。
在该燃料电池系统中，燃料气体供应装置可以包括燃料气体供应通道以及被设置在燃料气体供应通道中的燃料供应阀门，并且可以进一步包括从燃料电池的燃料电极排放反应后燃料气体的气体排放通道、被设置在气体排放通道中的气体排放阀门以及检测在燃料供应阀门的燃料电极侧上并且在气体排放阀门的燃料电极侧上的燃料气体通道中的压力的压力传感器，并且泄漏确定装置可以关闭燃料供应阀门和气体排放阀门，并且可以基于由压力传感器检测的压力降低率而确定是否存在燃料气体泄漏。
本发明的第二方面涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电力的燃料电池；用于向燃料电池的燃料电极供应燃料气体的燃料气体供应装置；用于向燃料电池的氧化剂电极供应氧化剂气体的氧化剂气体供应装置；以及确定是否存在燃料气体泄漏的控制部分。该控制部分包括：起动装置，该起动装置用于通过以下方式来起动燃料电池：如果燃料电池的起动电压低于开路电压但是高于操作电压，则在起动燃料电池时将燃料电池的电压从起动电压降低到低于开路电压的操作电压，并且通过利用燃料气体供应装置向燃料电池的燃料电极供应燃料气体，并且然后通过利用氧化剂气体供应装置向氧化剂电极供应氧化剂气体；以及泄漏确定装置，该泄漏确定装置用于在从当供应燃料气体时到当开始供应氧化剂气体时的时段期间确定是否存在燃料气体泄漏。
在这个燃料电池系统中，燃料气体供应装置可以包括燃料气体供应通道以及被设置在燃料气体供应通道中的燃料供应阀门，并且可以进一步包括从燃料电池的燃料电极排放反应后燃料气体的气体排放通道、被设置在气体排放通道中的气体排放阀门以及检测在燃料供应阀门的燃料电极侧上并且在气体排放阀门的燃料电极侧上的燃料气体通道中的压力的压力传感器，并且泄漏确定装置可以在起动燃料电池时关闭燃料供应阀门和气体排放阀门，并且可以根据经由压力传感器检测的第一压力降低率和基于从燃料电池的输出电流估算的燃料气体消耗数量的第二压力降低率而确定是否存在燃料气体泄漏。
在这个燃料电池系统中，泄漏确定装置可以通过从第一压力降低率减去第二压力降低率而计算第三压力降低率，并且如果第三压力降低率大于或者等于第一阀值，则可以确定存在燃料气体泄漏。此外，如果第一压力降低率大于或者等于第二阀值，则泄漏确定装置可以确定存在燃料气体泄漏，其中所述第二阀值大于第一阀值。
本发明的第三方面涉及一种电动车辆。该电动车辆配备有前面的燃料电池系统。
本发明的第四方面涉及一种用于燃料电池系统的控制方法。该方法是用于包括通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电力的燃料电池的燃料电池系统的控制方法，并且包括：通过将燃料电池的电压从起动电压升高到低于开路电压的操作电压而起动燃料电池；以及当燃料电池起动时在燃料电池的电压达到操作电压之前确定是否存在燃料气体泄漏。
本发明的第五方面涉及一种用于燃料电池系统的控制方法。该方法是用于这样一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电力的燃料电池、向燃料电池的燃料电极供应燃料气体的燃料气体供应部分以及向燃料电池的氧化剂电极供应氧化剂气体的氧化剂气体供应部分。该控制方法包括：通过以下方式起动燃料电池，如果燃料电池的起动电压低于开路电压但是高于操作电压，则在起动燃料电池时将燃料电池的电压从起动电压降低到低于开路电压的操作电压，并且通过利用燃料气体供应部分向燃料电池的燃料电极供应燃料气体，并且然后通过利用氧化剂气体供应部分向氧化剂电极供应氧化剂气体；以及在从当供应燃料气体时到当开始供应氧化剂气体时的时段期间确定是否存在燃料气体泄漏。
本发明实现了能够当燃料电池起动时在不损害燃料电池的耐久性的情况下确定是否存在氢气泄漏的效果。
附图说明
参考附图根据优选实施例的以下说明，本发明前面的以及进一步的特征和优点将变得明显，其中同样的数字被用于代表同样的元件并且其中：
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的系统示意图；
图2是示出当在本发明的实施例中的燃料电池系统起动时电压的增加的曲线图；
图3是示出当在本发明的实施例中的燃料电池系统起动时被密封的氢气系统的压力的降低的曲线图；
图4是示出当在本发明的实施例中的燃料电池系统起动时执行的操作的流程图；
图5是示出当在本发明的实施例中的燃料电池系统起动时发生的电压的增加的另一实例的曲线图；
图6是示出当在本发明的实施例中的燃料电池系统起动时被密封的氢气系统的压力的降低的另一实例的曲线图；
图7是示出当在本发明的实施例中的燃料电池系统起动时执行的另一操作的流程图；以及
图8是示出当系统起动时在现有技术的燃料电池系统中的电压的增加的曲线图。
具体实施方式
如在图1中所示，被安装在电动车辆200中的燃料电池系统100包括可充电和可放电的二次电池12、升高或者降低二次电池12的电压的升压/降压电压转换器13、将升压/降压电压转换器13的直流电力转换成交流电力并且向牵引马达15供应电力的变换器14以及燃料电池11。
二次电池12由可充电和可放电锂离子蓄电池等构造。在该实施例中二次电池12的电压低于牵引马达15的驱动电压。然而，二次电池的电压不受如此限制，而是还可以是等价于或者高于牵引马达的驱动电压的电压。升压/降压电压转换器13包括多个切换元件，并且通过切换元件的开/关操作而将从二次电池12供应的一次侧电压转换成用于驱动牵引马达的二次侧电压。升压/降压电压转换器13是非绝缘双向DC/DC转换器，其基准电路径32被连接到二次电池12的负侧电路径34和变换器14的负侧电路径39这两者，并且其一次侧电路径31被连接到二次电池12的正侧电路径33，并且其二次侧电路径35被连接到变换器14的正侧电路径38。此外，二次电池12的正侧电路径33和负侧电路径34中的每一个均提供有开路和闭合在二次电池12和负载系统之间的连接的系统继电器25。
燃料电池11被供应有作为燃料气体的氢气以及作为氧化剂气体的空气，并且通过氢气体和在空气中的氧气之间的电化学反应而产生电力。在燃料电池11中，氢气通过提供有氢气供应阀门18的氢气供应管道27而被从高压氢气罐17供应到燃料电极(阳极)，并且空气通过空气压缩机19而被供应到氧化剂电极(阴极)。在这里，氢气供应阀门18是燃料供应阀门，并且氢气供应管道27是燃料气体供应通道。检测氢气系统中的压力的压力传感器47被附接到氢气供应管道27。所供应的氢气和所供应的空气中的氧气在燃料电池11内经历电化学反应，因此输出电力，并且在氧化剂电极处产生水。所产生的水与已经被用于反应的空气一起地被从燃料电池排出。在另一方面，被供应到燃料电极的氢气改变成其氢气浓度已经由于反应而降低的反应气体，并且然后通过氢气排放管道28而被排放。所排放的反应气体被设置在再循环管道29上的氢气循环泵26加压，从而被循环到氢气供应管道27中并且因此被循环到燃料电极。通过调节氢气供应阀门18的打开程度，通过反应消耗的氢气的数量被从氢气罐17供应到氢气供应管道27中。此外，居于燃料电极处的气体包括氮气等通过气体排放管道45而被与反应后气体一起地排放到外侧。调节所排放的气体数量的气体排放阀门22被附接到气体排放管道45。如上所述，该氢气系统被提供为循环系统。因此，当氢气供应阀门18和气体排放阀门22被关闭时，包括氢气供应阀门18的燃料电极侧上的氢气供应管道27、燃料电池11的燃料侧部分、氢气排放管道28、氢气循环泵26、再循环管道29和气体排放阀门22的燃料电极侧上的气体排放管道45的区域46采取密封状态。
燃料电池11的正侧电路径36经由FC继电器24和阻塞二极管23而被连接到升压/降压电压转换器13的二次侧电路径35。燃料电池11的负侧电路径37经由另一FC继电器24而被连接到升压/降压电压转换器13的基准电路径32。升压/降压电压转换器13的二次侧电路径35被连接到变换器14的正侧电路径38，并且升压/降压电压转换器13的基准电路径32被连接到变换器14的负侧电路径39。燃料电池11的正侧电路径36和负侧电路径37经由FC继电器24而被分别地连接到变换器14的正侧电路径38和负侧电路径39。FC继电器24开路和闭合在负载系统和燃料电池11之间的连接。当FC继电器24被闭合时，燃料电池11被连接到升压/降压电压转换器13的二次侧，从而由燃料电池11产生的电力被与通过升高二次电池12的一次侧电力的电压获得的、二次电池12的二次侧电力一起地供应到变换器，变换器由此驱动旋转轮子60的牵引马达15。此时，燃料电池11的电压变得等于升压/降压电压转换器13的输出电压并且等于变换器14的输入电压。此外，从二次电池12向空气压缩机19和包括冷却水泵、氢气循环泵26等的、燃料电池11的附件16供应驱动电力。
在二次电池12的正侧电路径33和负侧电路径34之间连接平滑一次侧电压的一次侧电容器20。一次侧电容器20提供有检测在一次侧电容器20的两个端部之间的电压的电压传感器41。此外，在变换器14的正侧电路径38和负侧电路径39之间设置平滑二次侧电压的二次侧电容器21。二次侧电容器21提供有检测在二次侧电容器21的两个端部之间的电压的电压传感器42。一次侧电容器20上的电压是一次侧电压VL，这是升压/降压电压转换器13的输入电压，并且二次侧电容器21上的电压是二次侧电压VH，这是升压/降压电压转换器13的输出电压。此外，燃料电池11的正侧电路径36和负侧电路径37之间设置检测燃料电池11的电压的电压传感器43，并且在燃料电池11的正侧电路径36上设置检测燃料电池11的输出电流的电流传感器44。
控制部分50是包含执行信号处理的CPU和存储程序和控制数据的存储部分的计算机。燃料电池11、空气压缩机19、升压/降压电压转换器13、变换器14、牵引马达15、附件16、氢气供应阀门18、气体排放阀门22、FC继电器24和系统继电器25被连接到控制部分50，并且被构造成根据来自控制部分50的命令来操作。此外，二次电池12、电压传感器41到43、电流传感器44和压力传感器47中的每一个均被连接到控制部分50，并且被构造成使得二次电池12的状态和电压传感器41到43、电流传感器44和压力传感器47的检测信号被输入控制部分50。电动车辆200提供有点火键30，点火键30是用于起动和停止燃料电池系统100的开关。点火键30被连接到控制部分50，并且被构造成使得点火键30的开/关信号被输入到控制部分50。
将参考图2到图4描述如上所述构造的燃料电池系统100的操作。在图2中，线a示出二次侧电压VH，这是升压/降压电压转换器13的输出电压，并且线b示出FC电压VF，这是燃料电池11的电压。燃料电池11从如在图2中所示的零电压状态被起动。
当驾驶员即操作人员在图2所示时间t0处接通点火键30时，来自点火键30的开信号被输入到控制部分50，由此控制部分50辨识点火键30的开状态，如在图4中的步骤S101中所示。当点火键30的开信号被输入时，控制部分50闭合系统继电器25以将二次电池12连接到系统，从而一次侧电容器20通过从二次电池12供应的电力来充电。在这之后，控制部分50开始升压/降压电压转换器13的电压升高操作以开始对二次侧电容器21充电，如在图4中的步骤S102和S103中所示。在利用电压传感器42检测二次侧电压VH时，控制部分50升高二次侧电压VH。当二次侧电压VH达到开路电压OCV时，二次侧电容器21的充电完成，并且从二次电池12供应电力成为可能。因此，在图2所示时间t1，控制部分50点亮READY(准备)灯以指示已经完成向牵引马达15供应电力的准备。当驾驶员在READY灯被点亮后踩下油门踏板时，来自二次电池12的电力被供应到旋转轮子60的牵引马达15，从而电动车辆200能够开始移动。虽然电力被从二次电池12供应到牵引马达15，但是电力并不流入到燃料电池11中，因为FC继电器24是开路的，并且因此燃料电池11被从系统切断。
控制部分50从电压传感器43获取燃料电池11的起动电压VFO的值，并且将该值与操作电压V0进行比较，如在图4中的步骤S104中所示。操作电压V0低于开路电压OCV。然后，例如，如果燃料电池11的起动电压VFO低于如在图2中所示低于开路电压OCV的操作电压V0，则控制部分50在图2所示时间t1处输出加压氢气系统的命令，如在图4中的步骤S 105中所示。由于这个命令，氢气供应阀门18被打开，从而氢气开始被从氢气罐17供应到燃料电池11。当氢气得以供应时，在燃料电池11的燃料电极处的压力升高。然而，因为氧化剂电极未被供应有空气，所以在燃料电池11内电化学反应并不发生，并且因此燃料电池11并不产生电力。因此，如关于燃料电池11的起动电压VFO的情形，此时，燃料电池11的FC电压VF为零。
此外，如果燃料电池11的起动电压VFO高于操作电压V0，则控制部分50跳到图7所示步骤S205(在以后描述)，其中控制部分50闭合FC继电器24。
当控制部分50确定由压力传感器47检测的氢气系统的压力已经达到特定压力时，例如，在常规操作期间发生的压力，如在图4中的步骤S106中所示，控制部分50输出用于密封氢气系统的命令，如在图4中的步骤S107中所示。由于这个命令，氢气供应阀门18和气体排放阀门22在图2所示时间t2处被关闭。由于这个操作，包括氢气供应阀门18的燃料电极侧上的氢气供应管道27、燃料电池11的燃料侧部分、氢气排放管道28、氢气循环泵26、再循环管道29和气体排放阀门22的燃料电极侧上的气体排放管道45的区域46采取密封状态。此时，因为空气压缩机19未被起动，所以氧化剂电极未被供应有空气，即，氧化剂气体。因此，密封区域46中的氢气不与氧气反应，从而区域46中的氢气的数量几乎不会降低。
如在图3中所示，虽然图1所示区域46被密封，但是由于在燃料电池11的燃料电极和氧化剂电极之间的横向泄漏压力稍微地从压力P0降低，如图3中的短划单点线c所示。即，如在图3中所示，在时间t2和时间t21之间的时间间隔Δt1上，压力以ΔP0从初始压力P0降低到在该间隔末端发生的最终压力P0′。
在另一方面，如果从被密封的氢气系统存在泄漏氢气，则图1所示密封区域46中的压力以数量ΔP1从在时间t2处的初始压力P0降低到在时间t21处的最终压力P1。在从时间t2到时间t21的时间间隔Δt1中的压力降低ΔP1显著地大于在不存在氢气泄漏的情形中发生的压力降低ΔP0。控制部分50从时间间隔Δt1和压力降低ΔP0计算在不存在氢气泄漏的情形中发生的压力降低率，并且将计算结果存储在存储器中。然后，控制部分50通过比较从在时间间隔Δt1期间检测的压力降低ΔP1计算的压力降低率与所存储的压力降低率而确定存在/不存在氢气泄漏。
当氢气系统变得密封时，控制部分50经由压力传感器47获取已被密封的图1所示区域46中的初始压力P0的值，如在图4中的步骤S108中所示，并且然后等待图3所示的、作为特定时间的时间间隔Δt1，如在图4中的步骤S109中所示。在这之后，控制部分50作为在时间间隔末端发生的最终压力经由压力传感器47获取在时间间隔Δt1逝去时发生的压力P1的值，如在图4中的步骤S110中所示。然后，控制部分50计算在时间间隔Δt1中的压力降低率，如在图4中的步骤S111中所示，并且然后通过比较计算出的压力降低率与在不存在氢气泄漏的情形中发生的压力降低率而确定存在/不存在氢气泄漏，如在图4中的步骤S112中所示。
如果控制部分50在图4中的步骤S112中确定存在氢气泄漏，则控制部分50然后确定存在氢气泄漏的确定是否已经是第一次作出的，如在图4中的步骤S113中所示，从而避免由于错误的确定而引起燃料电池系统100的停止。然后，如果存在氢气泄漏的确定是第一次确定，则控制部分50返回图4中的步骤S108，其中控制部分50再次获取初始压力的值。
因为如在图3中所示，初始压力的值是在存在/不存在氢气泄漏的第一次确定之后再次获取的，所以作为初始压力获取在图3所示时间t21之后的时间t22的压力P2。然后，作为最终间隔压力获取在时间t22随后的特定时间间隔Δt2处发生的压力P3，并且根据在压力P2和压力P3之间的压力差ΔP2并且根据特定时间Δt2计算压力降低率。通过比较计算出的压力降低率与当不存在氢气泄漏时发生的压力降低率而确定存在/不存在氢气泄漏。
如果在关于氢气泄漏的第二次存在/不存在确定中确定存在氢气泄漏，则控制部分50停止燃料电池系统100，如在图4中的步骤S114中所示。
在另一方面，如果在存在/不存在氢气泄漏的第一次或者第二次确定中确定不存在氢气泄漏，则控制部分50在图2中的时间t3处闭合FC继电器24以在图4中的步骤S115中连接燃料电池11和负载系统，并且然后起动空气压缩机19，如在图4中的步骤S116中所示。当空气压缩机19起动时，开始向燃料电池11供应空气。空气开始被供应到燃料电池11，在氢气和空气中的氧气之间的电化学反应在燃料电池11内开始。因此，由电压传感器43检测的燃料电池11的FC电压VF从如由图2中的线b示出的起动电压即零逐渐地增加，并且在图2所示时间t4处达到操作电压V0。
控制部分50在确定燃料电池11的FC电压VF已经达到操作电压V0之后，如在图4中的步骤S117中所示，保持燃料电池系统100的状态持续从图2所示时间t4到时间t5的稳定时间Δt，如在图4中的步骤S118中所示。然后，控制部分50在图2所示时间t5处完成燃料电池系统100的起动，如在图4中的步骤S119中所示，并且转变为常规操作。
在该实施例中，能够无需将燃料电池11的FC电压VF升高到开路电压OCV地确定在起动时存在/不存在氢气泄漏。因此，能够在不损害燃料电池11的耐久性的情况下确定存在/不存在氢气泄漏。
下面，将参考图5到7描述这个实施例的燃料电池系统100的起动的另一个实例。与以上参考图2到4所述的那些基本相同的图5到7的所示部分由相同的附图标记代表，并且在下面省略了其说明。在该实施例中，燃料电池11的起动电压VFO等于开路电压OCV，所述开路电压OCV高于操作电压V0。
如在前面的实施例中，控制部分50在辨识点火键30接通之后，如在图7中的步骤S201中所示，闭合系统继电器25并且然后开始升压/降压电压转换器13的操作。然后，如在图7中的步骤S202和S203中所示，控制部分50对二次侧电容器21充电以将二次侧电压VH升高到燃料电池11的开路电压OCV，VH是升压/降压电压转换器13的输出电压。然后，在图5中的时间t12处，二次侧电压VH达到开路电压OCV。在二次侧电压VH达到开路电压OCV之后，可以从二次电池12向牵引马达15供应电力，并且因此控制部分50在时间t11处打开READY灯。在这之后，当驾驶员踩下油门踏板时，电动车辆200能够开始移动。然而，此时，FC继电器24是开路的，并且因此燃料电池11被从系统断开，从而电力并不流入到燃料电池11中。
控制部分50从电压传感器43获取燃料电池11的起动电压VFO的值，并且比较它与操作电压V0，如在图7中的步骤S204中所示。如在前面的实施例中，操作电压V0低于开路电压OCV。然后，如果起动电压VFO高于操作电压V0，则控制部分50闭合FC继电器24，如在图7中的步骤S205中所示。在该实施例中，燃料电池11的起动电压VFO等于如在图5中所示的开路电压OCV。在这之后，在图7中的步骤S206中，控制部分50将二次侧电压VH从开路电压OCV降低到如由图5中的线e示出的操作电压V0，VH是升压/降压电压转换器13的输出电压。然后，当二次侧电压VH降低时，燃料电池11的电压VF从开路电压OCV降低，并且从燃料电池11输出电流AF，如由图5中的线f所示。
此外，如果燃料电池11的起动电压VFO低于操作电压V0，则控制部分50跳到上述图4中的步骤S105，其中控制部分40开始氢气系统的加压。
在二次侧电压VH达到开路电压OCV之后，紧接在图5中的时间t11之后的时间t12处，控制部分50输出用于加压氢气系统的命令。由于这个命令，氢气供应阀门18被打开，从而氢气开始被从氢气罐17供应到燃料电池11。如在关于二次侧电压VH的情形中，燃料电池11的FC电压VF被保持在操作电压V0。因此，在燃料电池11的电压从等于开路电压OCV的起动电压VFO降低到操作电压V0之后，燃料电池11继续输出电流。
在确定氢气系统的压力已经达到例如常规操作压力的特定压力之后，如在图7中的步骤S208中所示，控制部分50输出用于密封氢气系统的命令，如在图7中的步骤S209中所示。由于这个命令，图1所示氢气供应阀门18和气体排放阀门22在图5所示时间t13处关闭。由此，包括氢气供应阀门18的燃料电极侧上的氢气供应管道27、燃料电池11的燃料侧部分、氢气排放管道28、氢气循环泵26、再循环管道29和气体排放阀门22的燃料电极侧上的气体排放管道45的区域46采取密封状态。此时，因为空气压缩机19未被起动，所以氧化剂电极未被供应有空气，即氧化剂气体。然而，因为燃料电池11处于其中由于燃料电池11的电压已被从开路电压OCV降低到操作电压V0而输出通过发电产生的电流的状态中，所以在燃料电极处的氢气在与保留于氧化剂电极处的空气中包含的氧气的反应中被消耗。因此，虽然区域46被密封，但是氢气系统的压力以对应于输出电流的程度降低。
即使在无任何氢气在燃料电池11内消耗的情形中，由于在燃料电极和氧化剂电极之间的横向泄漏，被密封的区域46中的压力也从压力P0稍微地降低到压力P0’，如由图6中的短划单点线g所示。如在图6中所示，在从时间t13到时间t13′的时间间隔Δt3期间，压力以数量ΔP10从初始压力P0降低到最终压力P0′。能够从燃料电池11侧等估算压力降低ΔP10。因此，控制部分50估算压力降低ΔP10，并且预先在存储器中存储其估算值。
此外，在燃料电池11输出电力的情形中，如由图6中的线f所示，虽然氢气系统处于密封状态中，但是除了由于横向泄漏引起的氢气消耗，密封区域46中的氢气由于发电而被消耗，并且因此区域46中的压力以数量ΔP11从时间t13处的初始压力P0降低到时间t13′处的最终压力P11，如由图6中的短划双点线h所示。然而，能够利用通过使用由电压传感器43检测的燃料电池11的FC电压VF以及由电流传感器44检测的燃料电池11的输出电流AF而在控制部分50内执行的计算来估算由于通过发电的氢气消耗引起的压力降低ΔP11′。控制部分50在存储器中存储根据FC电压VF和输出电流VF估算的压力降低ΔP11′。控制部分50将所存储的压力降低ΔP11′和已经在存储器中存储的、由横向泄漏引起的压力降低ΔP1相加以计算压力降低ΔP11。然后，使用压力降低ΔP11和时间间隔Δt3，控制部分50计算在由于横向泄漏和发电这两者而消耗氢气的情形中发生的压力降低率(第二压力降低率)，并且在存储器中存储计算出的速率。
在燃料电池11输出电流时从被密封的氢气系统存在氢气泄漏的情形中，图1所示密封区域46中的压力以数量ΔP12从时间t13处的初始压力P0降低到时间t13′处的最终压力P12，如由图6中的实线j所示。在从时间t13到时间t13′的时间间隔Δt3中的压力降低ΔP12显著地大于在其中氢气由于横向泄漏和发电而被消耗的情形中在相同时间间隔中发生的压力降低ΔP11。然后，控制部分50计算压力降低率(第三压力降低率)以用于通过从根据在时间间隔Δt3中检测的压力降低ΔP12计算出的压力降低率(第一压力降低率)减去当不存在氢气泄漏但是由于横向泄漏和发电而存在氢气消耗时发生的、较早地在存储器中存储的压力降低率(第二压力降低率)而确定存在/不存在氢气泄漏。然后，控制部分50比较关于存在/不存在氢气泄漏的确定的压力降低率(第三压力降低率)与规定的阀值，以确定是否存在氢气泄漏。
在如在图7中的步骤S209中所示密封氢气系统之后，控制部分50获取区域46中的初始压力P0、FC电压VF和FC电流AF的值，如在图7中的步骤S210中所示。然后，控制部分50计算-上述第一压力降低率，如在图7中的步骤S213中所示，并且计算第二压力降低率并且然后计算第三压力降低率，如在图7中的步骤S214中所示。然后，控制部分50确定是否存在氢气泄漏，如在图7中的步骤S215中所示。
如果在图7中的步骤S215中的氢气泄漏存在/不存在确定中也确定存在氢气泄漏，则控制部分50停止燃料电池系统100，如在图7中的步骤S216中所示。
在另一方面，如果在图7中的步骤S215中的氢气泄漏确定中确定不存在氢气泄漏，则控制部分50在图5中的时间t14处起动空气压缩机19，如在图7中的步骤S217中所示。当空气压缩机19起动时，开始向燃料电池11供应空气。空气开始被供应到燃料电池11，在燃料电池11内，在氢气和空气中的氧气之间的电化学反应开始。因此，由电流传感器44检测的燃料电池11的FC电流AF逐渐地升高，如由图5中的线f所示。
在燃料电池11的FC电流AF已经增加之后，控制部分50在从图5所示时间t14到时间t15的稳定时间期间保持燃料电池系统100的状态，如在图7中的步骤S218中所示，并且然后在图5中的时间t15处完成燃料电池系统100的起动，如在图7中的步骤S219中所示。
在该实施例中，在起动燃料电池11时，能够在燃料电池11的FC电压VF从开路电压OCV降低到操作电压V0之后执行关于存在/不存在氢气泄漏的确定。因此，可以在不损害燃料电池11的耐久性的情况下确定是否存在氢气泄漏。
在前面的实施例中，用于氢气泄漏确定的压力降低率(第三压力降低率)是通过从根据在时间间隔Δt3中检测的压力降低ΔP12计算出的压力降低率(第一压力降低率)减去在不存在氢气泄漏但是由于发电而存在氢气消耗的情形中发生的、较早地在存储器中存储的压力降低率(第二压力降低率)而计算的。然后，用于泄漏确定的压力降低率(第三压力降低率)与阀值相比较以确定是否存在氢气泄漏。然而，还可以通过比较根据在时间间隔Δt3中检测的压力降低ΔP12计算的压力降低率(第一压力降低率)与大于规定阀值的第二阀值而执行关于存在/不存在氢气泄漏的确定。在此情形中，第二阀值可以是该规定阀值和当不存在氢气泄漏但是由于发电而存在氢气消耗时发生的压力降低率(第二压力降低率)之和。
虽然已经参考其示例性实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所描述的实施例或者构造。相反，本发明旨在涵盖各种修改和等价布置。另外，虽然以各种实例组合和配置示出了所公开的本发明的各种元件，但是包括更多、更少或者仅仅单一元件的其他组合和配置也是在所附权利要求的范围内的。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池，所述燃料电池通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应来产生电力；以及
控制部分，所述控制部分确定是否存在燃料气体的泄漏，
其中，所述控制部分具有：
起动装置，所述起动装置用于通过将所述燃料电池的电压从起动电压升高到低于开路电压的操作电压来起动所述燃料电池；以及
泄漏确定装置，所述泄漏确定装置用于当所述燃料电池起动时在所述燃料电池的电压达到所述操作电压之前确定是否存在燃料气体的泄漏。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
燃料气体供应装置，所述燃料气体供应装置用于向所述燃料电池的燃料电极供应所述燃料气体；以及
氧化剂气体供应装置，所述氧化剂气体供应装置用于向所述燃料电池的氧化剂电极供应所述氧化剂气体，其中：
通过由所述燃料气体供应装置向所述燃料电池的所述燃料电极供应所述燃料气体并且然后由所述氧化剂气体供应装置向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，所述起动装置升高所述燃料电池的电压；并且
所述泄漏确定装置在从供应燃料气体时到开始供应氧化剂气体时的时段期间来确定是否存在燃料气体的泄漏。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中：
所述燃料气体供应装置包括燃料气体供应通道以及被设置在所述燃料气体供应通道中的燃料供应阀门，并且进一步包括从所述燃料电池的所述燃料电极排放反应后燃料气体的气体排放通道、被设置在所述气体排放通道中的气体排放阀门、以及用于检测在所述燃料气体供应通道和所述燃料气体排放通道的、在所述燃料供应阀门的燃料电极侧上的并且在所述气体排放阀门的燃料电极侧上的部分中的压力的压力传感器；以及
所述泄漏确定装置关闭所述燃料供应阀门和所述气体排放阀门，并基于由所述压力传感器检测到的压力降低率来确定是否存在燃料气体的泄漏。
4.一种电动车辆，所述电动车辆配备有根据权利要求1到3中的任一项所述的燃料电池系统。
5.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池，所述燃料电池通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应来产生电力；
燃料气体供应装置，所述燃料气体供应装置用于向所述燃料电池的燃料电极供应所述燃料气体；
氧化剂气体供应装置，所述氧化剂气体供应装置用于向所述燃料电池的氧化剂电极供应所述氧化剂气体；以及
控制部分，所述控制部分确定是否存在燃料气体的泄漏，
其中，所述控制部分包括：
起动装置，所述起动装置通过以下方式来起动所述燃料电池：如果所述燃料电池的起动电压低于开路电压但是高于操作电压，则在起动所述燃料电池时将所述燃料电池的电压从所述起动电压降低到低于所述开路电压的操作电压，并且由所述燃料气体供应装置向所述燃料电池的所述燃料电极供应所述燃料气体，然后由所述氧化剂气体供应装置向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体；以及
泄漏确定装置，所述泄漏确定装置用于在从供应所述燃料气体时到开始供应所述氧化剂气体时的时段期间确定是否存在燃料气体的泄漏。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中：
所述燃料气体供应装置包括燃料气体供应通道以及被设置在所述燃料气体供应通道中的燃料供应阀门，并且进一步包括从所述燃料电池的所述燃料电极排放反应后燃料气体的气体排放通道、被设置在所述气体排放通道中的气体排放阀门、以及用于检测在所述燃料气体供应通道和所述燃料气体排放通道的、在所述燃料供应阀门的燃料电极侧上的并且在所述气体排放阀门的燃料电极侧上的部分中的压力的压力传感器；并且
所述泄漏确定装置在起动所述燃料电池时关闭所述燃料供应阀门和所述气体排放阀门，并且根据经由所述压力传感器检测到的第一压力降低率和基于从所述燃料电池的输出电流估算的燃料气体消耗数量的第二压力降低率来确定是否存在燃料气体的泄漏。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，
所述泄漏确定装置通过从所述第一压力降低率减去所述第二压力降低率来计算第三压力降低率，并且如果所述第三压力降低率大于或者等于第一阀值，则确定存在燃料气体的泄漏。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，
如果所述第一压力降低率大于或者等于第二阀值，则所述泄漏确定装置确定存在燃料气体的泄漏，其中所述第二阀值大于所述第一阀值。
9.一种电动车辆，所述电动车辆配备有根据权利要求5到8中的任一项所述的燃料电池系统。
10.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池，所述燃料电池通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应来产生电力；以及
控制部分，所述控制部分确定是否存在燃料气体的泄漏，并且所述控制部分具有起动部分和泄漏确定部分，所述起动部分通过将所述燃料电池的电压从起动电压升高到低于开路电压的操作电压而起动所述燃料电池，当所述燃料电池起动时在所述燃料电池的电压达到所述操作电压之前，所述泄漏确定部分确定是否存在燃料气体的泄漏。
11.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池，所述燃料电池通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应来产生电力；
燃料气体供应部分，所述燃料气体供应部分向所述燃料电池的燃料电极供应燃料气体；
氧化剂气体供应部分，所述氧化剂气体供应部分向所述燃料电池的氧化剂电极供应氧化剂气体；以及
控制部分，所述控制部分确定是否存在燃料气体的泄漏，并且所述控制部分包括起动部分，如果所述燃料电池的起动电压低于开路电压但是高于操作电压则在所述燃料电池起动时通过将所述燃料电池的电压从所述起动电压降低到低于所述开路电压的操作电压、以及由所述燃料气体供应部分向所述燃料电池的所述燃料电极供应所述燃料气体、以及然后由所述氧化剂气体供应部分向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体，所述起动部分起动所述燃料电池，并且所述控制部分进一步包括泄漏确定部分，所述泄露确定部分在从供应所述燃料气体时到开始供应所述氧化剂气体时的时段期间确定是否存在燃料气体的泄漏。
12.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电力的燃料电池，所述控制方法包括：
通过将所述燃料电池的电压从起动电压升高到低于开路电压的操作电压而起动所述燃料电池；以及
当所述燃料电池起动时在所述燃料电池的电压达到所述操作电压之前确定是否存在燃料气体的泄漏。
13.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电力的燃料电池、向所述燃料电池的燃料电极供应燃料气体的燃料气体供应部分、以及向所述燃料电池的氧化剂电极供应氧化剂气体的氧化剂气体供应部分，所述控制方法包括：
通过以下方式起动所述燃料电池：如果所述燃料电池的起动电压低于开路电压但是高于操作电压，则在起动所述燃料电池时将所述燃料电池的电压从所述起动电压降低到低于所述开路电压的操作电压，并且由所述燃料气体供应部分向所述燃料电池的所述燃料电极供应所述燃料气体，然后利用所述氧化剂气体供应部分向所述氧化剂电极供应所述氧化剂气体；以及
在从供应燃料气体时到开始供应氧化剂气体时的时段期间确定是否存在燃料气体的泄漏。
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