JP2006164939A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた燃料電池の触媒劣化の抑制に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and particularly to suppression of catalyst deterioration in a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane.
燃料電池システムにおいて、酸化剤極側に空気等の酸化剤ガスが存在し、燃料極側に空気等の酸化剤ガスが存在する領域と水素等の燃料ガスとが存在する領域とが形成される場合がある。例えば燃料極、酸化剤極共に空気が混入している状態からシステムを起動させる場合、燃料極側の燃料ガス流路への水素の供給を開始した初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が存在する領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極側は1V以上の高電位にさらされる。一方、燃料極に水素が存在しない領域では、この領域と対峙する酸化剤極で、
C+2H2O→CO2+4H++4e- 式(1)
という反応が生じる。その結果、Pt等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、酸化剤極の電極触媒の機能が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域においては、
O2+4H++4e-→2H2O 式(2)
という反応が起こり、水が生成されている。
In a fuel cell system, an oxidant gas such as air is present on the oxidant electrode side, and a region where an oxidant gas such as air is present on the fuel electrode side and a region where a fuel gas such as hydrogen is present are formed. There is a case. For example, when the system is started from a state where air is mixed in both the fuel electrode and the oxidizer electrode, hydrogen is not contained in the fuel gas channel at the initial stage when the supply of hydrogen to the fuel gas channel on the fuel electrode side is started. An existing region and a non-existing region are formed. In a region where hydrogen is present in the fuel electrode, a reaction similar to that in a normal operation state occurs, and the oxidant electrode side is exposed to a high potential of 1 V or more. On the other hand, in the region where hydrogen does not exist in the fuel electrode, the oxidant electrode is opposed to this region.
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e - formula (1)
This reaction occurs. As a result, the carbon carrier carrying the catalyst such as Pt is corroded, and the function of the electrode catalyst of the oxidant electrode is greatly deteriorated, which becomes a factor of lowering the performance of the fuel cell thereafter. At this time, in the region where the air on the fuel electrode side exists,
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O Formula (2)
The reaction called occurs and water is produced.
従来の燃料電池システムにおいては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間(1秒以下)で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界(以後、水素/空気フロントとする)が、燃料ガス流路中を通過するように水素を供給するものが特許文献1に記載されている。
In the conventional fuel cell system, in order to prevent the deterioration of the oxidizer electrode due to this phenomenon, the boundary between the region where the hydrogen exists in the fuel electrode and the region where the hydrogen does not exist (hereinafter referred to as hydrogen) in a short time (1 second or less).
このほかにも、酸化剤極が高電位に晒される例として、低出力発電運転(以後、アイドリングという)がある。燃料電池は低負荷、つまり燃料電池に要求される電流密度が小さい状態では電圧が高くなり、開放端電圧のときがもっとも高い電位となる。このような、高電位の状態では、触媒として例えば白金を用いた場合には、
Pt→Pt2++2e- 式(3)
の反応により白金の溶解(白金のイオン化)が進行し、燃料電池の発電性能が著しく低下することが知られている。
In addition to this, as an example in which the oxidizer electrode is exposed to a high potential, there is a low output power generation operation (hereinafter referred to as idling). The fuel cell has a high voltage when the load is low, that is, when the current density required for the fuel cell is small, and the highest potential is obtained when the open-circuit voltage is applied. In such a high potential state, for example, when platinum is used as a catalyst,
Pt → Pt 2+ + 2e - Eq. (3)
It is known that the dissolution of platinum (ionization of platinum) proceeds by this reaction, and the power generation performance of the fuel cell is significantly reduced.
従来の燃料電池システムにおいては、燃料極と酸化剤極を短絡させることによって電位差をなくし、式(3)に示す白金の溶解を抑える方法が提案されている。また、このほかにも停止時の電位を0.6Vから0.8Vの間に保持するように制御することにより劣化を抑制する方法が特許文献2に記載されている。
しかし上記の発明では、短時間で水素/空気フロントを通過させるためには、燃料電池の流路の設計にもよるが、水素を燃料極ガス流路に供給する配管流路の途中にコンプレッサ等の追加装置を配置することや、燃料ガス流路の断面積を小さくして燃料ガス流路中の流速を速める方策等が必要となる。前者においては、追加の装置が必要となり、コストが高くなるとともに、燃料電池システムが大型化するという問題があり、後者では反応面が狭くなり、反応効率が著しく低下するという問題があった。 However, in the above invention, in order to pass the hydrogen / air front in a short time, depending on the design of the flow path of the fuel cell, a compressor or the like is provided in the middle of the piping flow path for supplying hydrogen to the fuel electrode gas flow path. Therefore, it is necessary to take measures to increase the flow velocity in the fuel gas flow path by reducing the cross-sectional area of the fuel gas flow path. In the former, an additional device is required, which increases costs and increases the size of the fuel cell system. In the latter, there is a problem that the reaction surface is narrowed and the reaction efficiency is significantly reduced.
また、停止時の電位を0.6Vから0.8Vに制御することができれば劣化を抑制することが可能である。しかしながら実際には、酸化剤ガスの濃度等によって電位が上がり過ぎることもあり、このような電位制御を正確に行うことは困難であるという問題があった。 Further, deterioration can be suppressed if the potential at the time of stopping can be controlled from 0.6 V to 0.8 V. However, in practice, the potential may increase excessively depending on the concentration of the oxidant gas, and there is a problem that it is difficult to perform such potential control accurately.
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、簡易な構成で、燃料電池の劣化、特に酸化剤極の劣化を効率的に抑制することを目的とする。 The present invention has been invented to solve such problems, and has an object to efficiently suppress deterioration of a fuel cell, particularly deterioration of an oxidizer electrode, with a simple configuration.
本発明では、電解質膜を挟持し、電解質膜との間に触媒を担持する触媒層を有する燃料極と酸化剤極から構成する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時または停止時に前記触媒の表面を酸化し、触媒の活性を低下させる酸化被膜を形成する酸化被膜生成手段を備える。 According to the present invention, in a fuel cell system comprising a fuel cell comprising a fuel electrode having a catalyst layer sandwiching an electrolyte membrane and carrying a catalyst between the electrolyte membrane and an oxidizer electrode, the fuel cell is started or stopped Occasionally there is provided an oxide film generating means for oxidizing the surface of the catalyst and forming an oxide film that reduces the activity of the catalyst.
本発明によると、燃料電池システムの例えば起動時や停止時に触媒層の触媒表面に酸化被膜を構成し、触媒の活性状態を低下させる。これより例えば空気が混入した燃料極へ水素を供給した場合など、燃料極に水素と空気が混在している場合に起こる酸化剤極の劣化を抑制することができる。 According to the present invention, an oxide film is formed on the catalyst surface of the catalyst layer when the fuel cell system is started or stopped, for example, to reduce the active state of the catalyst. Thus, for example, when hydrogen is supplied to the fuel electrode in which air is mixed, deterioration of the oxidizer electrode that occurs when hydrogen and air are mixed in the fuel electrode can be suppressed.
本発明の第1実施形態で用いる燃料電池スタック1を構成する単位セル30について図1を用いて説明する。図1は単位セル30の概略構成図である。
A
単位セル30は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜(以下、電解質膜とする)31と、電解質膜31を挟持する酸化剤電極層32と燃料電極層33を備える。さらにその外側に酸化剤ガスセパレータ34と、燃料ガスセパレータ35を備える。
The
酸化剤電極層32と燃料電極層33は、カーボン繊維などの多孔質体から構成したガス拡散層32a、33aと、触媒として白金を担持したカーボン担体から構成した触媒層32b、33bを備える。
The
また、酸化剤電極層32、燃料電極層33と酸化剤セパレータ34、燃料セパレータ35の間には、それぞれ酸化剤ガス流路36、燃料ガス流路37を備える。なお、酸化剤ガス流路36を流通する酸化剤ガスと燃料ガス流路37を流通する燃料ガスが略同一方向に流通するように酸化剤ガス流路36と燃料ガス流路37を設ける。なお、酸化剤ガス流路36に供給する酸化剤ガスとして空気を使用し、燃料ガスとして水素ガスを使用する。これによって、通常運転時には単位セル30の燃料極、酸化剤極で以下の反応を生じる。
Further, an
燃料極側:H2→2H++2e- 式(4)
酸化剤極側:2H++1/2O2+2e-→H2O 式(5)
燃料極側では式(4)に示すように燃料ガス中の水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは電解質膜31内部を拡散して酸化剤電極層33側に到達し、電子は図示しない外部回路を流れ、出力として取り出される。一方、酸化剤極側では、電解質膜31内を拡散してきたプロトン、図示しない外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素により形成される三相界面上で式(5)に示す反応が生じる。
Fuel electrode side: H 2 → 2H + + 2e - Formula (4)
Oxidant electrode side: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O Formula (5)
On the fuel electrode side, hydrogen in the fuel gas is separated into protons and electrons as shown in equation (4). Protons diffuse inside the
燃料電池スタック1を移動体、例えば自動車用の動力源として活用した場合には、起動/停止が頻繁に繰り返される。燃料電池スタック1の運転停止中には、燃料電池スタック1への水素および空気の供給が停止された状態で放置され、放置が長時間継続された場合には、燃料ガス流路37内に外部より空気が侵入し、存在している可能性がある。燃料ガス流路37内に空気が混入した状態から燃料電池システムを起動すると、起動初期に燃料電池スタック1内は、図2に示すような状態となる。
When the
図2の状態では、酸化剤ガス流路36には空気が全領域において充満しているが、燃料ガス流路37には水素が存在している領域(領域A)と、空気が存在している領域(領域C)が形成される。また、領域Aと領域Cの間には水素と空気の界面Bが形成される(以下、この界面を水素/空気フロントBという)。
In the state of FIG. 2, the
領域Aにおいては、式(4)、(5)の通常の発電時の反応が起こり、酸化剤極では1V以上の高電位となる。一方、水素/空気フロントBを境に領域Cにおいては、酸化剤電極層32で式(1)の反応が起こり、燃料電極層33で式(2)の反応が起こる。つまり酸化剤電極層32で白金を担持している触媒層32bのカーボンに腐食劣化が生じる。なお、式(1)の反応は白金の表面上でかつカーボンに接した部分で生じる。これにより酸化剤電極層32が劣化し、燃料電池スタック1の劣化が生じることになる。本発明は上記酸化剤電極32の劣化を抑制する。
In region A, reactions during normal power generation of equations (4) and (5) occur, and the oxidant electrode has a high potential of 1 V or higher. On the other hand, in the region C with the hydrogen / air front B as a boundary, the reaction of the formula (1) occurs in the
次に本発明の第1実施形態の燃料電池システム概略図について図3を用いて説明する。この実施形態は、燃料電池スタック1と、酸化剤ガス流路36に空気を供給するコンプレッサ(空気供給手段)2と、燃料ガス流路37に水素を供給する水素ボンベ3と、燃料電池スタック1で発電した電力を消費する負荷4と、燃料電池スタック1で発電した電力を蓄える二次電池であるバッテリ(電圧印加手段)5と、燃料電池スタック1の発電電圧、またはバッテリ5による印加電圧を検出する電圧センサ(電圧検出手段)17と、を備える。
Next, a schematic diagram of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment includes a
コンプレッサ2の上流には空気中の不純物を取り除く空気フィルタ16を設け、コンプレッサ2から燃料電池スタック1に供給する。燃料電池スタック1で使用されなかった酸素を含む排出ガス(排出空気)は、後述する水素消費装置15に供給され、その後大気に排出される。
An
水素ボンベ3から燃料ガス流路37に供給される水素は、水素供給路9に設けた減圧弁6によって減圧され、流量コントローラ7によって流量を制御される。また、燃料電池スタック1で使用されなかった水素は水素循環流路10に設けたリサイクルコンプレッサ11によって三方弁12、水素供給路9を介して再び燃料電池スタック1に供給される。なお、燃料電池スタック1から排出される水素中に酸化剤極側から電解質膜30を通り空気中の窒素が多く混入した場合には、燃料電池スタック1から排出された水素は三方弁13によって水素循環流路10から分岐する水素排出流路14を通り、水素を消費する水素消費装置15に供給される。
The hydrogen supplied from the
水素消費装置15は水素を消費する触媒などを有しており、燃料電池スタック1の酸化剤極側から排出された排出ガスが供給され、この排出ガスによって水素を消費し、その後水素を含まないガスを燃料電池システムの外部へ排出する。
The
負荷4は燃料電池スタック1の酸化剤側電極板20と燃料側電極板21と電気的に接続しており、燃料電池スタック1で発電された電力を消費する。なお、燃料電池スタック1と負荷4の間には、燃料電池スタック1と負荷4の電気的な接続のON/OFFを切り換えるスイッチ22を設ける。
The
バッテリ5は燃料電池スタック1と負荷4に対して並列に設けられ、燃料電池スタック1と負荷4に電気的に接続しており、燃料電池スタック1によって発電された電力の一部(余剰電力)を蓄える。また、燃料電池スタック1または負荷4に電力を供給することも可能である。なお、燃料電池スタック1または負荷4と電気的な接続のON/OFFを切り換えるスイッチ23を設ける。すなわち、スイッチ22、23によって、燃料電池スタック1と負荷4とバッテリ5をそれぞれ電気的に接続、切断することができる。
The
また、コンプレッサ2、流量コントローラ6、三方弁12、13、リサイクルコンプレッサ11、スイッチ22、23を制御するコントローラ40を備える。
Further, the
次にこの実施形態の燃料電池システム起動時の動作制御について図4のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムの運転停止時にはスイッチ22、23は共にOFFとなっている。すなわち燃料電池スタック1と負荷4とバッテリ5とはいずれも電気的に接続していない。またコンプレッサ2とリサイクルコンプレッサ11は共に停止状態にある。
Next, the operation control when starting the fuel cell system of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. Note that the
コントローラ40が燃料電池システムの起動指令を検知すると、ステップS100では、スイッチ22、23をONとして、バッテリ5と燃料電池スタック1を酸化剤極が正となるように電気的に接続し、燃料電池スタック1に所定電圧(第1の所定電圧)V1を印加する。燃料極と酸化剤極に空気が混入している場合にはバッテリ5によって印加する前は、単位セル30の燃料極、酸化剤極共に1.2Vの電位となっている。なお燃料極に水素が存在している場合の電位を0Vとする。そして、燃料電池スタック1に所定電圧V1を印加することで、触媒層32bの電位が高くなり触媒層32b白金の表面に酸化被膜が形成される。なお、この実施形態では所定電圧V1を単位セル30に印可される電圧、すなわち単位セル30あたりの電圧で表すものとし、以下において所定電圧は単位セル30あたりの電圧を示すものとする。所定電圧V1の設定について詳しくは後述する(ステップS100が酸化被膜生成手段を構成する)。
When the
ここで触媒層32bの白金粒子の表面に形成される酸化被膜について説明する。燃料電池スタック1をバッテリ5によって印加すると触媒粒子である白金が、
Pt+xH2O→PtOx+2xH++2xe- 式(6)
の反応を示し、図5(a)に示すように白金の表面に酸化被膜が形成されていない状態から、図5(b)に示すような白金の表面に酸化被膜が形成された状態へ変化する。白金の表面に酸化被膜が形成されると白金は不活性状態となる、または活性状態が低下する。
Here, the oxide film formed on the surface of the platinum particles of the
Pt + xH 2 O → PtOx + 2xH + + 2xe - Equation (6)
As shown in FIG. 5 (a), the state changes from a state in which no oxide film is formed on the surface of platinum to a state in which an oxide film is formed on the surface of platinum as shown in FIG. 5 (b). To do. When an oxide film is formed on the surface of platinum, platinum becomes inactive or the active state decreases.
燃料電池システムの起動時に燃料極に空気が存在している場合に酸化剤極では式(1)で示した反応が白金の表面上で、かつカーボンの接した部分で起こるが、白金の表面に酸化被膜を形成することで触媒の活性が低下し、式(1)の反応が抑制される。これによってカーボンの腐食劣化を抑制することができる。 When air is present in the fuel electrode at the start of the fuel cell system, the reaction expressed by the formula (1) occurs on the surface of platinum and in contact with carbon at the oxidizer electrode. By forming the oxide film, the activity of the catalyst is lowered and the reaction of the formula (1) is suppressed. Thereby, the corrosion deterioration of carbon can be suppressed.
ステップS101では、スイッチ22、23をONとしてから所定時間T1が経過したかどうか判定する。そして所定時間T1が経過するとステップS102へ進む。なお、所定時間T1は予め設定された時間であり、白金の表面に酸化被膜が形成され、後述するステップS103で燃料極に水素を供給した場合でも式(1)の反応が抑制され、カーボン腐食反応が生じない状態となる時間である。なお、所定時間T1は触媒の材料や触媒層32、33の材料によって異なり、長くなる程酸化被膜の量は増えるが、起動時間が長くなるために、ここでは1秒とするが、この時間に限定されることはない。
In step S101, it is determined whether a predetermined time T1 has elapsed since the
ステップS102では、スイッチ23をOFFとしてバッテリ5から燃料電池スタック1への印加を終了する。
In step S102, the
ステップS103では、水素ボンベ3から燃料極へ水素の供給を開始する。燃料極へ水素を供給すると、燃料極では前記したように水素/空気フロントBが形成されるが、酸化剤極では触媒層32bの白金の表面に酸化被膜が形成されているので、白金の活性が低下しており、式(1)で示す触媒層32bのカーボンの腐食反応を抑制することができる。そして、水素/空気フロントBが下流へ移動し、水素が到達するとその箇所では燃料電池スタック1では式(4)、(5)の通常の発電反応が起きる。
In step S103, supply of hydrogen from the
その後ステップS104では、コンプレッサ2から酸化剤極へ空気の供給を開始し、燃料電池システムが要求する発電を開始する。
Thereafter, in step S104, supply of air from the
以上の制御により、水素の供給を開始する前に酸化剤極の触媒層32bの触媒表面に酸化被膜を形成し、その後水素を供給することで、水素/空気フロントBが燃料極からパージされるまでは触媒の活性を低下させ、触媒層32bのカーボンの腐食による劣化を抑制して燃料電池スタック1を起動することができる。
With the above control, the hydrogen / air front B is purged from the fuel electrode by forming an oxide film on the catalyst surface of the
なお、燃料極、酸化剤極の白金の表面にはバッテリ5によって電圧を印加していない場合でも形成されることがあるが、ステップS100においてバッテリ5によって電圧を印加することで、酸化剤極の酸化被膜の厚さが厚くなり、さらに活性状態が低下する。また白金の表面の酸化被膜は燃料電池スタック1の通常の運転によって徐々に乖離し、白金は不活性状態から元の状態に戻り、各燃料極、酸化剤極の電位が0.8Vまで下がると白金の不活性状態は完全に元に戻る。つまり、燃料極の白金に酸化被膜が形成された場合でも、水素が供給されることで燃料極の酸化被膜は乖離する。
In addition, although it may be formed even when the voltage is not applied by the
ここで前述したステップS100の所定電圧V1について図6を用いて説明する。図6は燃料極に水素を供給し、酸化剤極に空気を供給し、単位セル30を無負荷状態(開放状態)で45秒間保持した場合の単位セル30の電圧変化を示すマップである。このとき開放端電圧は約0.95Vを示す。この開放端電圧は触媒の活性の状態を表し、開放端電圧が高い程、触媒の活性が高いことを示す。なお、バッテリ5によって単位セル30に印加される電圧が0V以上であれば触媒の粒子に酸化被膜を形成する。ここでは、50秒経過時に外部電源より1.2V、1.1V、1.0Vの異なる電圧を印加した後に、外部電源を取り除き、開放端電圧を検出したものである。その結果、開放端電圧は1.2Vを印加した場合に最も低い電圧となり、続いて1.1V、1.0Vを印加した順に低い電圧となる。これは印加した電圧が高い程、その後の単位セル30の開放端電圧が低い、つまり触媒に形成される酸化被膜がより広範囲に形成され、触媒の活性が低下していることを示している。最も開放端電圧の低下が大きい印加電圧1.2Vの場合には、開放端電圧は0.89Vまで下がっており、酸化被膜が形成される以前よりも0.06V低下している。
Here, the predetermined voltage V1 in step S100 described above will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a map showing a change in voltage of the
以上より、バッテリ5によって燃料電池スタック1に印加する電圧は高い程、触媒活性を低くすることができる。しかし、印加電圧が高すぎる場合には燃料電池スタック1の温度にもよるが、単位セル30あたり1.5V〜2.0V程度まで印加電圧を高くすると、印加電圧によって触媒層32のカーボンが腐食劣化する。そのためこの実施形態ではバッテリ5による印加電圧である所定電圧V1を1.2Vとする。なお、電解質膜30の材料(分子構造)にもよるが、水分を失うと乾燥によって電解質膜30の抵抗が大きくなり、電解質膜30を劣化させる恐れがある。そのため所定電圧V1を水が電気分解する電圧よりも低い電圧とする。なお、所定電圧V1は1.2Vに限るものではなく、酸化被膜を形成し、燃料電池スタック1の劣化を引き起こさない電圧であればよい。
As described above, the higher the voltage applied to the
次にこの実施形態の燃料電池システム停止時の動作制御について図7のフローチャートを用いて説明する。燃料電池システムの運転中には、スイッチ22はONとなり、スイッチ23は燃料電池スタック1からの充電時にはONとなり、それ以外の場合にはOFFとなっている。またコンプレッサ2とリサイクルコンプレッサ11は共に運転中の状態にある。
Next, operation control when the fuel cell system of this embodiment is stopped will be described with reference to the flowchart of FIG. During operation of the fuel cell system, the
燃料電池システムの運転停止信号を検知すると、ステップS200ではコンプレッサ2を停止する。
When the operation stop signal of the fuel cell system is detected, the
ステップS201では、リサイクルコンプレッサ11を停止し、水素ボンベ3からの水素供給を停止する。
In step S201, the
ステップS202では、スイッチ23をONとして、バッテリ5によって燃料電池スタック1を所定電圧V1で印加する。ステップS201において水素の供給を停止すると、燃料極に外部より空気が混入する可能性がある。燃料極に空気が混入すると燃料電池システムの起動時と同じように燃料極に水素/空気フロントBが形成される。ステップS202では、バッテリ5によって燃料電池スタック1に所定電圧V1を印加することで、酸化剤極の触媒層32bにおいて白金の表面に酸化被膜を形成する(ステップS202が酸化被膜生成手段を構成する)。
In step S202, the
ステップS203では、スイッチ23をONとして、バッテリ5によって印加した時間が所定時間T1を経過したかどうか判断する。そして所定時間T1が経過するとステップS204へ進む。
In step S203, the
ステップS204では、スイッチ23をOFFとしてバッテリ5から燃料電池スタック1への印加を終了する。
In step S204, the
以上の制御によって、燃料電池システムを停止する場合に触媒層32bの白金の表面に酸化被膜を形成することで、燃料極に空気が混入した場合でも、酸化剤極のカーボンの腐食を抑制することができる。
By the above control, an oxide film is formed on the platinum surface of the
次に燃料電池スタック1の開放端電圧の低下と酸化被膜に覆われた触媒表面積の関係について図8を用いて説明する。図8はこの実施形態で用いた燃料電池スタック1の単位セル30の電流密度と電圧特性を示すマップである。電流密度の対数値と電圧は比例関係であり、その傾きは90(mV/decade)となる。つまり、電流密度がi1からi2へ変化した場合の電圧低下ΔEは、
ΔE=0.09×log(i2/i1) 式(7)
と表すことができる。
Next, the relationship between the decrease in the open end voltage of the
ΔE = 0.09 × log (i2 / i1) Equation (7)
It can be expressed as.
印加電圧を1.2Vとした場合に開放端電圧が0.06V低下した場合には、外部電源によって印加する前の触媒が活性状態を示す有効表面積をA1(cm2)とし、印加によって酸化被膜が形成された後の触媒が活性状態を示す有効表面積をA2(cm2)とする。この場合にも微少電流が流れており、印加する前の電流をI1(A)とし、印加した後の電流をI2(A)とすると電流密度i1と電流密度i2は、
i1=I1/A1 式(8)
i2=I2/A2 式(9)
の関係が成り立つ。ここで電圧印加前後で電流値は変化していないので、
I1=I2 式(10)
つまり、
A2/A1=i1/i2 式(11)
となる。ここで式(7)より
A2/A1=i1/i2=10−0.06/0.09=0.22 式(12)
となる。
When the applied voltage is 1.2 V and the open-circuit voltage decreases by 0.06 V, the effective surface area that indicates the active state of the catalyst before being applied by the external power source is A1 (cm 2 ). The effective surface area of the catalyst after the formation of the active state is defined as A2 (cm 2 ). Also in this case, a minute current flows, and if the current before application is I1 (A) and the current after application is I2 (A), current density i1 and current density i2 are
i1 = I1 / A1 Formula (8)
i2 = I2 / A2 Formula (9)
The relationship holds. Here, the current value does not change before and after voltage application,
I1 = I2 Formula (10)
That means
A2 / A1 = i1 / i2 Formula (11)
It becomes. Here, from the equation (7), A2 / A1 = i1 / i2 = 10−0.06 / 0.09 = 0.22 Equation (12)
It becomes.
このことより燃料電池スタック1に印加電圧1.2Vで印加すると、0.06Vの電圧低下し、触媒が活性状態を示す有効表面積が78%失われた、つまり触媒の約8割が不活性状態となることを示す。そのため燃料極に空気が存在している場合に燃料極に水素を供給しても酸化剤極でカーボンの腐食劣化を抑制することができる。なお、以上の計算はこの実施形態の1例であり、ここで用いた数値に限られるものではない。
As a result, when applied to the
本発明の第1実施形態の効果について説明する。 The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
この実施形態では燃料電池システムの起動時にバッテリ5によって燃料電池スタック1を印加することで、酸化剤極の触媒層32の白金に酸化被膜を形成させ、白金を不活性状態とする。これによって停止時に燃料極に空気が混入し、起動時に燃料極に水素を供給することで燃料極に水素/空気フロントBが発生した場合でも、酸化剤極の触媒層32の白金に酸化被膜が形成されているので、酸化剤極でのカーボン腐食反応を抑制することができる。
In this embodiment, the
また、燃料電池システムの運転停止時にもバッテリ5によって酸化剤極の触媒層32の白金に酸化被膜を形成することで、燃料極内に空気が混入した場合でも酸化剤極のカーボン腐食反応を抑制することができる。
Further, even when the fuel cell system is stopped, the
バッテリ5によって燃料電池スタック1を印加することで、酸化剤極の触媒層32の白金に酸化被膜を素早く形成することができ、酸化剤極のカーボン腐食反応を抑制し、燃料電池の起動時間を短くすることができる。また、バッテリ5によって印加する電圧を水の電気分解よりも低くすることで、電解質膜3の乾燥を防止し、電解質膜3による抵抗の増加を抑制し、電解質膜3の劣化を防止することができる。
By applying the
燃料電池スタック1を印加する手段として燃料電池スタック1の余剰電力を蓄えるバッテリ5を用いることで、燃料電池システムを小型にすることができる。
By using the
次に本発明の第2実形態について図9を用いて説明する。この実施形態ではコンプレッサ2の下流に三方弁26を設ける。この構成によってコンプレッサ2から水素供給路9に空気供給可能とする。なお、三方弁26は燃料電池システムの通常の運転時にはコンプレッサ2から燃料電池スタック1の酸化剤極を連通する。その他の構成については第1実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。また、燃料電池システム起動時の制御動作については第1実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a three-
燃料電池システム停止時の制御動作について図10のフローチャートを用いて説明する。 The control operation when the fuel cell system is stopped will be described with reference to the flowchart of FIG.
なお、ステップ300からステップS303までの制御は第1実施形態のステップS200からステップS203までの制御と同じなのでここでの説明は省略する。
Since the control from
ステップS304では、スイッチ23をOFFとしてバッテリ5から燃料電池スタック1への印加を終了する。
In step S304, the
ステップS305では、三方弁26を切り換えてコンプレッサ2と水素供給路9を連通する。これによってコンプレッサ2から水素供給路9を介して燃料電池スタック1の燃料極へ空気を供給可能とする。また、三方弁13によって燃料電池スタック1と水素排出流路14を連通させて、燃料極と外部を連通させる。
In step S305, the three-
ステップS306では、コンプレッサ2を起動して燃料極に残っている水素をパージする。なお、パージされた水素は水素消費装置15によって消費される。ステップS303によって酸化剤極の触媒層32bの白金に酸化被膜を形成したが、水素が残留し、長い時間放置されると燃料極での水素/空気フロントBが長い時間存在することになる。この場合白金の酸化被膜が時間の経過と共に乖離するが、酸化剤極の白金に酸化被膜を形成した後にコンプレッサ2によって燃料極の水素をパージし、水素/空気フロントBを燃料極から外部へ移動させることで、燃料電池システムの長時間の停止時における燃料電池スタック1の劣化をより抑制することができる。
In step S306, the
ステップS307では、コンプレッサ2の起動により燃料極をパージした時間が所定時間T2を経過したかどうか判断する。そして所定時間T2を経過するとステップS308へ進む。所定時間T2は燃料極の水素を燃料極からパージする時間であり、ここでは10秒とするが、この時間に限られることはなく、燃料極から水素をパージ可能な時間である。
In step S307, it is determined whether or not the time for purging the fuel electrode by starting the
ステップS308ではコンプレッサ2を停止して、三方弁26を切り換えてコンプレッサ2と酸化剤極が連通するように、または三方弁26を全閉として燃料電池システム停止制御を終了する。
In step S308, the
以上の制御によって、酸化被膜を形成し、燃料極の水素をパージすることで、燃料電池システムの長時間の停止時における燃料電池スタック1の劣化をより抑制することができる。
By the above control, an oxide film is formed and hydrogen in the fuel electrode is purged, whereby deterioration of the
本発明の第2実施形態の効果について説明する。 The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
この実施形態では第1実施形態の効果に加えて、燃料電池システムの停止時に酸化剤極の白金に酸化被膜を形成した後に、コンプレッサ2から燃料極に空気を供給し、燃料極に残った水素をパージすることで、燃料電池システムを長時間停止した場合において酸化剤極のカーボン腐食反応を更に抑制し、燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。
In this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, after forming an oxide film on platinum of the oxidizer electrode when the fuel cell system is stopped, air is supplied from the
次に本発明の第3実施形態について説明する。この実施形態の燃料電池システムの構成については第1実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。この実施形態の制御について図11のフローチャートを用いて説明する。図11のフローチャートは、燃料電池スタック1に要求される出力が小さくなった場合の制御動作である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. Since the configuration of the fuel cell system of this embodiment is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted here. The control of this embodiment will be described using the flowchart of FIG. The flowchart of FIG. 11 shows the control operation when the output required for the
ステップS400では、電圧センサ17によって燃料電池スタック1の電圧V、つまり燃料電池スタック1に要求される出力を検出する。
In step S400, the
ステップS401では、ステップS400で検出した電圧Vと所定電圧(第2の所定電圧))V2とを比較する。所定電圧V2は、詳しくは後述するが式(3)に示す反応により触媒層32bの白金が溶解する電圧であり、ここでは0.88Vとする。そして、電圧Vが所定電圧V2よりも高い場合にはステップS402へ進み、電圧Vが所定電圧V2よりも低い場合には燃料電池スタック1に要求された出力を達成するように発電を行う。
In step S401, the voltage V detected in step S400 is compared with a predetermined voltage (second predetermined voltage) V2. The predetermined voltage V2 is a voltage at which platinum of the
燃料電池システムが例えばアイドリング時となり、燃料電池スタック1の電圧Vが所定電圧V2よりも高くなったので、式(3)に示す白金の溶解が生じる可能性がある。そこでステップS402では、スイッチ23をONとし、バッテリ5によって燃料電池スタック1が所定電圧V1となるように電圧をステップ状に印加し、酸化剤極の触媒層32bの白金の表面上へ瞬間的に酸化被膜を形成する。所定電圧V1は、触媒層32bの白金の表面に酸化被膜を形成する電圧であり、1.2Vとする。触媒層32bの白金の表面に酸化被膜を形成することで、酸化剤極が高電位となった場合でも触媒層32b白金の溶解を抑制することができる。
For example, when the fuel cell system is idling and the voltage V of the
徐々に電圧を上げて燃料電池スタック1への印加を行うと、白金の表面へ酸化被膜を形成するまでの間に式(3)で示す白金の溶解が触媒層32bで生じる。しかし、バッテリ5によって燃料電池スタック1へ所定電圧V1を印加する場合に、所定電圧V1の印加をステップ状に行うことにより、触媒層32bの白金の表面に瞬間的に酸化被膜を形成し、白金の溶解を抑制することができる。これは一旦、白金の表面に酸化被膜が形成されると、式(3)に示す白金の溶解が生じないためである。
When the voltage is gradually raised and applied to the
ステップS403では、燃料電池スタック1へ所定電圧V1を印加した時間を算出する。そして算出した時間Tが所定時間T3を経過すると、ステップS404へ進む。所定時間T3は、触媒層32bの白金の表面に酸化被膜が形成される時間であり、ここでは0.5秒とする。
In step S403, the time during which the predetermined voltage V1 is applied to the
ステップS404では、スイッチ23をOFFとし、バッテリ5による燃料電池スタック1への電圧の印加を終了する。
In step S404, the
ステップS405では、燃料電池システムの運転停止信号を受けたかどうか判断し、燃料電池システムを停止する場合にはステップS406へ進み、燃料電池システムを停止しない場合には、燃料電池スタック1に要求される出力に応じて発電を継続する。
In step S405, it is determined whether or not a fuel cell system operation stop signal has been received. If the fuel cell system is to be stopped, the process proceeds to step S406. If the fuel cell system is not to be stopped, the
ステップS406では、リサイクルコンプレッサ11を停止し、水素ボンベ3からの水素の供給を停止し、コンプレッサ2による空気の供給を停止する。燃料電池システムを停止する場合にも触媒層32bの白金の表面に酸化被膜が形成されているので、燃料電池システムの停止時に高電位となる触媒層32bの白金の溶解を抑制し、さらに燃料電池システムの停止時に生じうるカーボンの腐食を抑制することができる。
In step S406, the
以上の制御によって、燃料電池スタック1に要求された出力が小さくなった場合、つまり燃料電池スタック1の電圧が高くなった場合に、バッテリ5によって燃料電池スタック1へ電圧を印加することにより、高電位となる触媒層32bの白金の表面に酸化被膜を形成し、白金の溶解を抑制することができる。
By the above control, when the output required for the
ここで、所定電圧V2の設定方法について説明する。図12は単位セル30の電圧を0.5Vから1.0Vへとステップ状に変化させた場合の時間に対する電圧変化を示すマップである。このような電圧変化を0.5Vから0.85V、0.5Vから0.88V、0.5Vから0.91V、0.5Vから0.95V、0.5Vから1.0V、0.5Vから1.2Vの場合で行う。つまり単位セル30を高出力から低出力へ6つのパターンで変化させる。これを3000サイクル繰り返した。そして、変化させた電圧と1000サイクルあたりの単位セル30の発電電圧低下量との関係を図13に示す。
Here, a method of setting the predetermined voltage V2 will be described. FIG. 12 is a map showing the voltage change with respect to time when the voltage of the
これによると、単位セル30の電圧が高くなる場合、つまり単位セル30を高出力から低出力へ変化させた場合には、0.88Vよりも大きくなると発電電圧低下量が大きくなり、約0.92Vとした場合に単位セル30の発電電圧低下量が最大、つまり劣化が一番大きくなる。また、単位セル30の電圧を0.92Vよりも大きくした場合には、単位セル30の劣化が小さくなる。これは、単位セル30の電圧をステップ状に変化させた場合に、単位セル30の触媒層32bの白金の表面に酸化被膜が瞬間的に形成され、特に電圧が0.92Vよりも高くなると、酸化被膜の量が多くなり、式(3)に示す白金の溶解が抑制されるからである。
According to this, when the voltage of the
以上の結果より、この実施形態では所定電圧V1は0.93V以上とすることが望ましく、この実施形態では所定電圧V1を1.2Vとする。また、所定電圧V2を0.88Vとする。 From the above results, it is desirable that the predetermined voltage V1 is 0.93 V or higher in this embodiment, and the predetermined voltage V1 is 1.2 V in this embodiment. The predetermined voltage V2 is set to 0.88V.
なお、この実施形態の制御を第2実施形態の燃料電池システムに用いても良い。 In addition, you may use control of this embodiment for the fuel cell system of 2nd Embodiment.
本発明の第3実施形態の効果について説明する。 The effect of the third embodiment of the present invention will be described.
この実施形態では、例えばアイドリング時などの燃料電池スタック1に要求される出力が小さくなった場合、つまり燃料電池スタック1の電圧が高くなった場合に、バッテリ5によって燃料電池スタック1に電圧を印加することで、高電位となる触媒層32bの白金の表面に酸化被膜を形成する。触媒層32bの白金に酸化被膜を形成することで、触媒層32bが高電位となった場合でも、白金の溶解を抑制することができ、燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。
In this embodiment, for example, when the output required for the
バッテリ5による電圧の印加をステップ状に行うので、触媒層32bの白金の表面に瞬間的に酸化被膜を形成することができ、触媒層32bが高電位となった場合でも触媒層32bの白金の溶解を抑制することができる。
Since voltage application by the
また、その後燃料電池システムを停止する場合にも、触媒層32bの白金の表面に酸化被膜を形成することで、燃料電池システムの停止中に生じるカーボンの腐食を抑制することができる。
Further, when the fuel cell system is stopped thereafter, the formation of an oxide film on the platinum surface of the
次に本発明の第4実施形態について説明する。この実施形態の燃料電池システムの構成については第1実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。この実施形態の制御について図14のフローチャートを用いて説明する。図14のフローチャートは、燃料電池スタック1に要求される出力が小さくなった場合の制御動作である。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. Since the configuration of the fuel cell system of this embodiment is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted here. The control of this embodiment will be described using the flowchart of FIG. The flowchart of FIG. 14 shows the control operation when the output required for the
ステップS500では、電圧センサ17によって燃料電池スタック1の電圧V、つまり燃料電池スタック1に要求される出力を検出する。
In step S500, the
ステップS501では、ステップS500で検出した電圧Vと所定電圧V2とを比較する。そして、電圧Vが所定電圧V2よりも高い場合にはステップS502へ進み、電圧Vが所定電圧V2よりも低い場合、つまり燃料電池スタック1に要求される出力が比較的大きい場合には燃料電池スタック1に要求された出力を達成するように発電を行う。
In step S501, the voltage V detected in step S500 is compared with the predetermined voltage V2. When the voltage V is higher than the predetermined voltage V2, the process proceeds to step S502. When the voltage V is lower than the predetermined voltage V2, that is, when the output required for the
ステップS502では、ステップS500で検出した電圧Vと所定電圧(第3の所定電圧)V3とを比較して、電圧Vが所定電圧V3よりも小さい場合には、ステップS506へ進み、電圧Vが所定電圧V3よりも大きい場合には、ステップS503へ進む。図13に示すように単位セル30の電圧が0.88Vから0.92Vの間になると単位セル30の発電電圧低下量が急激に大きくなる。つまり単位セル30が0.88Vから0.92Vの間で高電位となると触媒層32bにおいて式(3)に示す白金の溶解が多くなり、単位セル30の劣化が非常に大きくなる。そのためこの実施形態では所定電圧V3を0.90Vとし、電圧Vが所定電圧V3よりも高い場合には式(3)に示す白金の溶解が多く生じていると判断する。
In step S502, the voltage V detected in step S500 is compared with a predetermined voltage (third predetermined voltage) V3. If the voltage V is smaller than the predetermined voltage V3, the process proceeds to step S506, where the voltage V is predetermined. If it is higher than the voltage V3, the process proceeds to step S503. As shown in FIG. 13, when the voltage of the
ステップS503では、負荷4によって燃料電池スタック1から電力を取り出し、燃料電池スタック1の電圧を所定電圧V3よりも低い所定電圧V4に設定する。なお、燃料電池スタック1から取り出す電力をバッテリ5に充電しても良い。
In step S503, electric power is extracted from the
ここで図15に単位セル30の燃料極に水素、酸化剤極に窒素を供給した状態で、相対水素電極に対する酸化剤極の電位を0.04Vから0.9Vまでスイープさせたサイクリックボルタモグラムを示す。これによると0.9Vから電位を下げていくと、
Pt2+2e-→Pt 式(13)
に示す白金イオンの還元反応が生じ、還元電流が流れる。式(13)の反応は0.8V付近で還元電流密度が大きくなる。つまり、ステップS503において燃料電池スタック1の電圧を0.8Vとすることで、式(13)の白金イオンの還元反応により、例えば式(3)により白金が溶解して生成された白金イオンを還元し、白金を生成することができ、燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。そのためここでは所定電圧V4を0.8Vとする。これにより、触媒層32bの電位が高くなって溶解した白金イオンを還元し、白金を生成することができる。
Here, FIG. 15 shows a cyclic voltammogram obtained by sweeping the potential of the oxidant electrode with respect to the relative hydrogen electrode from 0.04 V to 0.9 V with hydrogen supplied to the fuel electrode of the
Pt 2+ 2e − → Pt Formula (13)
The reduction reaction of platinum ions shown in FIG. In the reaction of the formula (13), the reduction current density increases around 0.8V. That is, by setting the voltage of the
ステップS504では、燃料電池スタック1の電圧を所定電圧V4とした時間Tが所定時間T4を経過すると、ステップS505へ進む。所定時間T4は、白金イオンを還元し白金を生成するための時間であり、長くすることで、白金イオンを白金に還元することができるが、所定時間T4を長く設定すると燃料電池システムの効率が低下するので、ここでは1秒とする。
In step S504, when the time T when the voltage of the
ステップS505では、負荷4による燃料電池スタック1からの電力の取り出しを終了する(ステップS503からステップS505が触媒還元手段を構成する)。
In step S505, the extraction of electric power from the
ステップS506からステップS510までは第3実施形態のステップS402からステップS406と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。 Since steps S506 to S510 are the same control as steps S402 to S406 of the third embodiment, the description thereof is omitted here.
以上の制御によって、燃料電池スタック1に要求される出力が低下し、電圧が所定電圧V3よりも高くなった場合には、単位セル10の電圧を一旦下げる。これにより、触媒層32bが高電位となって白金が溶解して生成された白金イオンを還元し、白金イオンを白金に戻すことで、触媒層32bの劣化を抑制し、燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。
With the above control, when the output required for the
なお、電圧センサ17によって燃料電池スタック1の出力をモニタリングし、長時間燃料電池スタック1の出力が小さい状態、つまり燃料電池スタック1の電圧が高い状態が継続された場合に、ステップS503からステップS505の制御を行い、触媒層32bにおいて、白金イオンを還元し、白金イオンを白金に戻してもよい。これにより触媒層32bの劣化を抑制することができる。
Note that the output of the
本発明の第4実施形態の効果について説明する。 The effect of 4th Embodiment of this invention is demonstrated.
この実施形態では、燃料電池スタック1に要求される出力が小さくなった場合、つまり燃料電池スタック1の電圧が所定電圧V3よりも高くなった場合に、例えば負荷4などによって燃料電池スタック1の電圧を所定電圧V4まで低下させる。これにより、触媒層32bが高電位となることにより生じた白金イオンを還元し、白金イオンを白金に戻すことができる。これにより触媒層32bの劣化を抑制することができる。
In this embodiment, when the output required for the
さらに白金イオンを白金に戻した後に白金に酸化被膜を形成するので、酸化被膜により白金の溶解を抑制することができる。 Furthermore, since an oxide film is formed on platinum after returning platinum ions to platinum, dissolution of platinum can be suppressed by the oxide film.
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.
燃料電池を搭載した燃料電池車両に使用することができる。 It can be used for a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell.
1 燃料電池スタック
2 コンプレッサ
3 水素ボンベ
4 負荷
5 バッテリ(電圧印加手段)
17 電圧センサ(電圧検出手段)
20 酸化剤側電極板
21 燃料側電極板
22 スイッチ
23 スイッチ
30 単位セル
31 電解質膜
32b、33b 触媒層
40 コントローラ
DESCRIPTION OF
17 Voltage sensor (voltage detection means)
20 Oxidant
Claims (13)
前記燃料電池の起動時または停止時に前記触媒に酸化被膜を形成する酸化被膜生成手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a fuel cell composed of a fuel electrode and an oxidant electrode having a catalyst layer sandwiching an electrolyte membrane and supporting a catalyst between the electrolyte membrane,
A fuel cell system comprising an oxide film generation means for forming an oxide film on the catalyst when the fuel cell is started or stopped.
前記燃料電池の停止時に、前記燃料電池に前記第1の所定電圧を印加した後に、前記空気供給手段によって前記燃料極を前記空気によってパージすることを特徴とする請求項2または3に記載の燃料電池システム。 Air supply means for supplying air to the fuel electrode;
4. The fuel according to claim 2, wherein when the fuel cell is stopped, the fuel electrode is purged with the air by the air supply unit after applying the first predetermined voltage to the fuel cell. 5. Battery system.
前記酸化被膜形成手段は、前記電圧検出手段によって検出した電圧が第2の所定電圧よりも高い場合に、前記触媒に酸化被膜を形成することを特徴とする請求項2から6のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
The oxide film forming means forms an oxide film on the catalyst when the voltage detected by the voltage detecting means is higher than a second predetermined voltage. The fuel cell system described in 1.
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---|---|---|---|---|
WO2008108451A1 (en) * | 2007-03-01 | 2008-09-12 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | A fuel cell system, electrode catalyst degradation judgment method, and moving body |
WO2010029814A1 (en) * | 2008-09-10 | 2010-03-18 | 日産自動車株式会社 | Operation control device and operation control method for fuel cell |
WO2010058566A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-27 | 株式会社日立製作所 | Fuel battery start method |
KR20170006398A (en) * | 2015-07-08 | 2017-01-18 | 현대자동차주식회사 | Device for starting by catalyst activation and method for starting by catalyst activation using the same |
WO2021145221A1 (en) * | 2020-01-17 | 2021-07-22 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel cell system and control method for fuel cell system |
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EP1416561B1 (en) * | 2002-10-31 | 2008-05-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method of operation fuel cell system and fuel cell system |
US6962760B2 (en) * | 2003-03-25 | 2005-11-08 | The Regents Of The University Of California | Methods of conditioning direct methanol fuel cells |
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Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008108451A1 (en) * | 2007-03-01 | 2008-09-12 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | A fuel cell system, electrode catalyst degradation judgment method, and moving body |
US8900768B2 (en) | 2007-03-01 | 2014-12-02 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system, electrode catalyst degradation judgment method, and moving body |
WO2010029814A1 (en) * | 2008-09-10 | 2010-03-18 | 日産自動車株式会社 | Operation control device and operation control method for fuel cell |
JP2010067434A (en) * | 2008-09-10 | 2010-03-25 | Nissan Motor Co Ltd | Operation control device and operation control method for fuel cell |
WO2010058566A1 (en) * | 2008-11-19 | 2010-05-27 | 株式会社日立製作所 | Fuel battery start method |
US8647784B2 (en) | 2008-11-19 | 2014-02-11 | Hitachi, Ltd. | Fuel cell stack start method preventing cathode deterioration |
JP5483599B2 (en) * | 2008-11-19 | 2014-05-07 | 株式会社日立製作所 | Starting the fuel cell |
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US9774049B2 (en) | 2015-07-08 | 2017-09-26 | Hyundai Motor Company | Device and method for controlling starting fuel cell vehicle |
WO2021145221A1 (en) * | 2020-01-17 | 2021-07-22 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Fuel cell system and control method for fuel cell system |
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