JP2011113661A - 燃料電池スタックおよび燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】不純物付着による触媒の性能劣化を回復する場合に、発電効率および耐久性が従来例よりも改善できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池スタック２００では、一対の集電体３０、３１間に２以上の単電池１０が積層され、単電池１０に伝熱媒体を供給できる供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａが単電池の積層方向５００に延びている。そして、集電体３０、３１間に中間集電体３２ａ、３３ａ、３３ａ、３３ｂの対も積層方向５００に積層され、これらの中間集電体３２ａ、３３ａ、３３ａ、３３ｂの対が、単電池１０間に挿入されており、中間集電体３２ａ、３３ａ、３３ａ、３３ｂの対が、積層方向に絶縁体３４、３５を挟んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックおよび燃料電池システムに関する。特に、本発明は、不純物付着による触媒の性能低下を回復する場合に、発電効率および耐久性が従来例よりも改善する燃料電池スタックおよび燃料電池システムに関する。

水素イオン伝導性高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含む燃料ガスと、空気など酸素を含む酸化剤ガスと、を電気化学的に反応させることによって、電力と熱とを同時に発生させる装置である。

この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性高分子電解質膜、および水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。これらの電極は、白金族金属触媒を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外側に形成された、通気性と電子導電性を併せ持ち、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層から構成される。

なお、以上の構造を、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）と呼ぶ。

また、燃料電池では、反応ガスの外部へのリーク、および、燃料ガスと酸化剤ガスとのガス混合が生じないよう、ガスシール材（ガスケット）が、電極の周辺には水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むように配されている。このガスシール材（ガスケット）は、電極及び水素イオン伝導性高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。

ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続できる導電性のセパレータ板が配置される。

セパレータ板のＭＥＡと接触する表面（おもて面）には、電極に反応ガスを供給するとともに、反応ガスからの生成水や余剰の反応ガスを運び去ることができるガス流路溝が形成される。

また、ＭＥＡと接しないセパレータ板の裏面には、ＭＥＡを適温に維持する目的で伝熱媒体（例えば、水）を流すことができる伝熱媒体流路溝が形成される。

更に、セパレータ板のＭＥＡと接する部分の外周域には、ガス流路溝への反応ガス供給機構、ガス流路溝からの反応ガス排出機構、伝熱媒体流路溝への伝熱媒体供給機構、および、伝熱媒体流路溝からの伝熱媒体排出機構が形成される。

以上のＭＥＡとセパレータ板を交互に重ねることにより、ＭＥＡと一対のセパレータ板を含む最も簡単な単電池（以下、「セル」という場合がある）が、１０〜２００個積層される。その後、集電体および絶縁板を介した端板によってセル群（単電池の集合体）を挟み、締結ボルトで両端から固定するのが、一般的な燃料電池の積層構造である。このようにして得られる複数のセル（単電池）からなる積層構造を燃料電池スタックと呼ぶ。

水素イオン伝導性高分子電解質膜の含水率を飽和状態にすることによって、水素イオン伝導性高分子電解質膜の比抵抗が小さくなり、その結果、水素イオン伝導性電解質の機能が発揮できる。よって、燃料電池スタックの発電中は、水素イオン伝導性高分子電解質膜からの水分の蒸発を防ぐ目的で、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、予め適宜の加湿器によって加湿され、燃料電池スタック内に供給される。また、燃料電池スタックの発電時には、以下の電気化学反応（１）に基づいて、カソードにおいて反応生成水が得られる。
アノード：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻
カソード：２Ｈ^＋ ＋ （１／２）Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ・・・（１）
以上の燃料ガス中の加湿水、酸化剤ガス中の加湿水、および、反応生成水は、水素イオン伝導性高分子電解質膜を飽和状態に保つ目的で使用され、さらに余剰の燃料ガス、および余剰の酸化剤ガスとともに燃料電池スタックの外部へ排出される。

ところで、このような燃料電池スタックが搭載された燃料電池システムでは、様々な不純物の影響を受ける場合がある。

このような不純物をその混入経路から分類すると、燃料電池システムを構成する樹脂部品や金属部品などの部材から水中に溶け込む内的不純物と、燃料電池システムの外部から反応ガスとともに、燃料電池スタック内に混入する外的不純物と、がある。

このような不純物によって、アノードの触媒層を構成する触媒（「アノード触媒」と略す）やカソードの触媒層を構成する触媒（「カソード触媒」と略す）の被毒あるいは被覆が起こる場合がある。すると、これらのアノード触媒やカソード触媒の活性が低下し、ひいては、燃料電池システムの発電性能が低下する。

特に、大気中に含まれる汚染物質の内、硫黄酸化物や硫化水素などの硫黄化合物がカソード触媒の表面に強く吸着することが知られており、これにより、カソード触媒の活性が低下することが従来から問題視されている。

そこで、外部電源を用いて、燃料電池システムの起動時に、不純物が付着したカソードに所定の電位（０．９〜１．２Ｖ）を印加する方法（例えば、特許文献１参照）、或いは、外部電源を用いて、燃料電池システムの低負荷運転時に、不純物が付着したカソードに自然電位よりも高い電位を印加する方法（例えば、特許文献２参照）などがすでに提案されている。

以上により、カソード触媒に付着した不純物を酸化でき、その結果、カソード触媒に対する不純物の付着力を弱めることができるので、カソード触媒からの不純物の離脱が容易になる。

なお、特許文献２には、カソードの触媒層中の水量を増加させることによって、カソード触媒から離脱した不純物を水で洗い流すようにして、燃料電池システムの外部に不純物を排出し易くする方法が記載されている。

特開２００７−６６５８２号公報 特開２００７−２０７６６９号公報

しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時の不純物除去が意図されている。よって、この場合、燃料電池システムの運転継続中に、不純物付着による触媒の性能劣化を回復することが困難となり、その結果、燃料電池スタックの発電効率が低下するという不都合がある。

また、特許文献１および特許文献２の燃料電池システムでは、カソードの電極電位を自然電位より高い電位にまで高めて、触媒に吸着した不純物を酸化させている。よって、この場合、電解質膜や、カソードの触媒層中のカーボンが劣化し易くなり、その結果、燃料電池スタックの耐久性が低下するという不都合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、不純物付着による触媒の性能劣化を回復する場合に、発電効率および耐久性が従来例よりも改善する燃料電池スタックおよび燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、一対の集電体間に２以上の単電池が積層され、前記単電池に伝熱媒体を供給できる供給機構が前記単電池の積層方向に延びている燃料電池スタックであって、前記集電体間に一対の中間集電体が前記積層方向に積層され、前記中間集電体の対が、前記単電池間に挿入されており、
前記一対の中間集電体が、前記積層方向に絶縁体を挟んでいる、燃料電池スタックを提供する。

また、本発明の燃料電池スタックでは、前記２以上の単電池を、前記中間集電体の対によって複数の単電池群にグループ分けするとよい。更に、前記供給機構を、前記単電池群のそれぞれに独立に、前記伝熱媒体を供給するように構成するとよい。

これにより、不純物付着による触媒の性能劣化を回復する場合、燃料電池スタックの一部の単電池のみを冷却するので、燃料電池スタックの発電効率を従来例よりも改善できる。

また、本発明は、前記燃料電池スタックが搭載され、前記燃料電池スタックによって発電が行われる燃料電池システムも提供する。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記単電池群と出力回路との間の電気接続および電気遮断を可能にするスイッチング回路を備えるとよい。更に、前記スイッチング回路によって、前記単電池群での出力回路への給電を、前記単電池群毎に個別に停止できるように構成するとよい。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記単電池群の発電継続時間が、第１時間を経過した場合、前記単電池群での前記出力回路への給電を、前記スイッチング回路を用いて順次、停止するとよい。更に、前記単電池群の発電継続時間が、第２時間を経過した場合、前記単電池群での前記出力回路への給電を、前記スイッチング回路を用いて順次、停止し、前記出力回路への給電停止状態の前記単電池群の冷却を、前記供給機構を用いて順次、行うとよい。

なお、第２時間は第１時間よりも長くするとよい。

これにより、不純物付着による触媒の性能劣化を回復する場合、燃料電池スタックの一部の単電池のみにオープン電位（自然電位以下の電位）を与え、燃料電池スタックの一部の単電池のみを冷却するので、燃料電池システムの耐久性および発電効率を従来例よりも改善できる。

本発明によれば、不純物付着による触媒の性能劣化を回復する場合に、発電効率および耐久性が従来例よりも改善する燃料電池スタックおよび燃料電池システムが得られる。

本発明の実施の形態１による燃料電池スタックを構成する単電池（セル）の横断面図である。 本発明の実施の形態１の燃料電池スタックの断面図である。 本発明の実施の形態１の燃料電池スタックの端板の平面図である。 本発明の実施の形態１による燃料電池スタックを構成するセパレータ板の平面図である。（ａ）は、第１セル群でのセパレータ板の平面図であり、（ｂ）は、第２セル群でのセパレータ板の平面図であり、（ｃ）は、第３セル群でのセパレータ板の平面図である。 本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成例を示した図である。 図５の燃料電池スタックの第１、第２および第３セル群とインバータとの間の接続切り替え用のスイッチング回路の一例を示した図である。 本発明の実施の形態２の燃料電池システムによるカソード触媒に付着した硫黄化合物除去の運転シーケンスの一例を示したフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態１、２の具体例について、図面を参照しながら説明する。
なお、全ての図面を通じて、同一ないし相当する構成要素には同じ参照番号を付し、以下、このような構成要素の重複的記載を省略する場合がある。

また、本発明は、以下の実施の形態１、２に限定されない。つまり、以下の具体的な説明は、本発明の燃料電池スタックおよび燃料電池システムの特徴を例示しているに過ぎない。よって、本発明の燃料電池スタックや燃料電池システムを特定した用語と同じ用語に適宜の参照符号を付して以下の具体例を説明する場合、当該具体的な装置は、これに対応する本発明の燃料電池スタックや各燃料電池システムの構成要素の一例である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による燃料電池スタックを構成する単電池（セル）の横断面図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１の燃料電池スタック２００（図２参照）の単電池に相当するセル１０は、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１と、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１の両面に形成されているアノードの触媒層およびカソードの触媒層の対（いずれも図示せず）を備える。

なお、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１には、パーフルオロスルホン酸の市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ膜）を用いることができ、電極触媒にはＰｔ担持カーボンを用いることができる。

また、アノードガス拡散電極１３（以下、「ガス拡散電極１３」と略す）、および、カソードガス拡散電極１２（以下、「ガス拡散電極１２」と略す）のそれぞれが、これらのガス拡散電極１２、１３に対応する触媒層のそれぞれを外側から挟み込むようにして配されている。

なお、上述のとおり、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１と一対の触媒層と一対のガス拡散電極１２、１３とによって構成される部材が、通常、ＭＥＡ１８と称される。

図１に示すように、カソード側導電性セパレータ板１６は、ガス拡散電極１２に接して配され、そのガス拡散電極１２との接触面（以下、「表（おもて）面」という）には、サーペンタイン状の酸化剤ガス流路溝１４が形成されている。
これにより、酸化剤ガス流路溝１４を流れる酸化剤ガスをガス拡散電極１２に供給できる。

同様に、アノード側導電性セパレータ板１７は、ガス拡散電極１３に接して配され、そのガス拡散電極１３との接触面には、サーペンタイン状の燃料ガス流路溝１５が形成されている。

これにより、燃料ガス流路溝１５を流れる燃料ガスをガス拡散電極１３に供給できる。
図１に示すように、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１と各セパレータ板１６、１７との間のガス拡散電極１２、１３の周囲には、ガスケット１９が、ガス拡散電極１２、１３を囲むように環状に配されている。

また、カソード側導電性セパレータ板１６では、ガス拡散電極１２との接触面と反対側の主面（以下、「裏面」という）に、伝熱媒体（例えば、水）の流路を形成する伝熱媒体流路溝２２が設けられ、アノード側導電性セパレータ板１７では、ガス拡散電極１３との接触面と反対側の主面に、伝熱媒体の流路を形成する伝熱媒体流路溝２３が設けられている。

以上のセル１０を積層した燃料電池スタック２００において、図１に示すように、１つのセル１０のカソード側導電性セパレータ板１６と、これに隣接するセル１０Ａのセパレータ板（二点鎖線参照）との間では、セル１０の伝熱媒体流路溝２２と、セル１０Ａの伝熱媒体流路溝（二点鎖線参照）と、からなる矩形流路２８が形成される。

そして、この矩形流路２８に流れる伝熱媒体（例えば、水）の流量が調整されると、燃料電池の温度を適温に制御できるので、上記矩形流路２８は、燃料電池の温度制御部として機能する。

図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池スタックの断面図である。なお、図２では、図１のセル１０を略図で描いている。

図２に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック２００では、多数のセル１０を積層方向５００に積層することにとって矩形状の積層体１０Ｓが得られ、この積層体１０Ｓの両端に、板状の導電性の端部集電体３０、３１（以下、「集電体３０、３１」と略す）の対が配されている。

また、第１、第２および第３供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａがセル１０の積層方向５００に延びるように形成され、これにより、積層体１０Ｓの各セル１０に伝熱媒体を供給できる。

更に、伝熱媒体の排出機構６３Ａがセル１０の積層方向５００に延びるように形成され、これにより、積層体１０Ｓの各セル１０から伝熱媒体を外部に運ぶ（排出する）ことができる。

図２に示すように、集電体３０、３１間には、集電体３０、３１と平面視において同型の導電性の中間集電体３２ａ、３２ｂの対および導電性の中間集電体３３ａ、３３ｂの対が、積層体１０Ｓの中間において積層方向５００に積層され、これにより、これらの中間集電体の３２ａ、３２ｂの対および中間集電体３３ａ、３３ｂの対が、積層体１０Ｓの適所のセル１０間に挿入されている。

つまり、本実施の形態の燃料電池スタック２００では、板状の中間集電体３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂが、板状のセル１０とともに積層される形態となっている。
このようにして、中間集電体３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂが、積層体１０Ｓの中間において、積層体１０Ｓの一部を構成している。

また、中間集電体３２ａ、３２ｂの対によって、積層方向５００に板状の絶縁体３４が挟み込まれ、中間集電体３３ａ、３３ｂの対によって、積層方向５００に板状の絶縁体３５が挟み込まれている。

これにより、中間集電体３２ａ、３２ｂ同士が、絶縁体３４を用いて絶縁され、中間集電体３３ａ、３３ｂ同士が、絶縁体３５を用いて絶縁されている。
つまり、本実施の形態の燃料電池スタック２００では、板状の絶縁体３４、３５が、板状のセル１０とともに積層される形態となっている。
このようにして、絶縁体３４、３５が、積層体１０Ｓの中間において、積層体１０Ｓの一部を構成している。

以上により、多数のセル１０について、中間集電体３２ａ、３２ｂの対および中間集電体３３ａ、３３ｂによって複数（ここでは、３個）の第１、第２および第３セル群４０、４１、４２にグループ分けが行われている。

詳しくは、集電体３０と中間集電体３２ａとの間の複数のセル１０が、第１セル群４０を構成し、中間集電体３２ｂと中間集電体３３ａとの間の複数のセル１０が、第２セル群４１を構成し、中間集電体３３ｂと集電体３１との間の複数のセル１０が、第３セル群４２を構成している。

また、燃料電池スタック２００は、第１供給機構６０Ａが第１セル群４０の各セル１０のみに伝熱媒体を供給でき、第２供給機構６１Ａが第２セル群４１の各セル１０のみに伝熱媒体を供給でき、第３供給機構６２Ａが第３セル群４２の各セル１０のみに伝熱媒体できるように構成されている。

つまり、第１、第２および第３供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａのそれぞれが、これらに対応する第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の各セル１０のそれぞれに、独立に伝熱媒体を供給できるように構成されている（詳細は後述する）。

以上により、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の温度を個別に制御できる。このため、積層体１０Ｓ中の板状の絶縁体３４、３５は、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の間において温度影響が受け難くなる材質および厚みを選択する方が好ましい。

なお、燃料電池スタック２００では、図２に示すように、集電体３０、３１のそれぞれの外端面（セル１０に当接する面の裏面）に、一対の絶縁板７０、７１および一対の端板７２、７３が配され、これらの絶縁板７０、７１と端板７２、７３との間に、一対の弾性体７４、７５（例えば、バネ）が介在している。このため、端板７２、７３同士を締結ボルトおよびナッド（いずれも図示せず）の締結力によって締め付けると、この締結力は絶縁板７０、７１を介して積層体１０Ｓに伝わり、その結果、積層体１０Ｓを適切に固定できる。

次に、燃料電池スタック２００のセパレータ板および端板の構成（特に、第１、第２および第３供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａおよび排出機構６３Ａに関係する構成）について、図面を参照しながら詳述する。

図３は、本発明の実施の形態１の燃料電池スタックの端板の平面図である。

また、図４は、本発明の実施の形態１による燃料電池スタックを構成するカソード側導電性セパレータ板の平面図である。詳しくは、図４（ａ）には、第１セル群４０に用いるカソード側導電性セパレータ板１６Ａの表面および裏面の平面図が図示されている。図４（ｂ）には、第２セル群４１に用いるカソード側導電性セパレータ板１６Ｂの表面および裏面の平面図が図示されている。図４（ｃ）には、第３セル群４２に用いるカソード側導電性セパレータ板１６Ｃの表面および裏面の平面図が図示されている。

但し、図４では、図面の簡略化の観点から、酸化剤ガス流路溝１４の本数や伝熱媒体流路溝１４の本数を省略して示している。

また、アノード側導電性セパレータ板の第１、第２および第３セル群４０、４１，４２での構成については、以下のカソード側導電性セパレータ板１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの説明、および、図４の図示内容を参酌することにより、容易に理解できる。よって、ここでは、アノード側導電性セパレータ板の詳細な図示および詳細な構成の説明は省略する。

図２および図３に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック２００の端板７２には、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２のそれぞれに対応する伝熱媒体の供給口（第１、第２および第３供給口５０、５１、５２）が形成されている。つまり、第１供給口５０を第１セル群４０の各セル１０への伝熱媒体供給に用い、第２供給口５１を第２セル群４１の各セル１０への伝熱媒体供給に用い、第３供給口５２を第３セル群４２の各セル１０への伝熱媒体供給に用いる。

なお、燃料電池スタック２００の全てのセル１０からの伝熱媒体の排出に用いる排出口５３が、後述のマニホールド孔６３からなる排出機構６３Ａに連通して端板７３に形成されている。

図４（ａ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ａの周縁部（ＭＥＡ１８の外側の領域）には、第１セル群４０の各セル１０のみへの伝熱媒体の供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６０、６３が形成されている。つまり、図４（ａ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ａの裏面において、これらのマニホールド孔６０、６３がサーペンタイン状の伝熱媒体流路溝２２に接続され、両者は、伝熱媒体流路溝２２を介して連通している。

一方、このカソード側導電性セパレータ板１６Ａの周縁部には、第２セル群４１への伝熱媒体供給に用いるマニホールド孔６１、および、第３セル群４２への伝熱媒体供給に用いるマニホールド孔６２も形成されている。しかし、図４（ａ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ａの裏面において、これらのマニホールド孔６１、６２は、伝熱媒体流路溝２２に接続されていない。

このように、カソード側導電性セパレータ板１６Ａでは、伝熱媒体供給用の３個のマニホールド孔６０、６１、６２が設けられ、これらのマニホールド孔６０、６１、６２のうちのマニホールド６０のみが伝熱媒体流路溝２２に接続され、マニホールド６１、６２が、伝熱媒体流路溝２２に接続されていないという特徴がある。

ここでは、図示を省略しているが、第１セル群４０の各セル１０に用いるアノード側導電性セパレータ板１７およびガスケット１９にもマニホールド孔６０、６１、６２、６３と同じ類の孔が形成されている。

なお、カソード側導電性セパレータ板１６Ａの周縁部には、各セル１０への酸化剤ガスの供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６５、６６が形成されている。つまり、図４（ａ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ａの表面において、これらのマニホールド孔６５、６６がサーペンタイン状の酸化剤ガス流路溝１４に接続され、両者は、酸化剤ガス流路溝１４を介して連通している。更に、各セル１０への燃料ガスの供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６７、６８が形成されている。

図４（ｂ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ｂの周縁部（ＭＥＡ１８の外側の領域）には、第２セル群４１の各セル１０のみへの伝熱媒体の供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６１、６３が形成されている。つまり、図４（ｂ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ｂの裏面において、これらのマニホールド孔６１、６３がサーペンタイン状の伝熱媒体流路溝２２に接続され、両者は、伝熱媒体流路溝２２を介して連通している。

一方、このカソード側導電性セパレータ板１６Ｂの周縁部には、第３セル群４２への伝熱媒体供給に用いるマニホールド孔６２も形成されている。しかし、図４（ａ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ａの裏面において、このマニホールド孔６２は、伝熱媒体流路溝２２に接続されていない。

このように、カソード側導電性セパレータ板１６Ｂでは、伝熱媒体供給用の２個のマニホールド孔６１、６２が設けられ、これらのマニホールド孔６１、６２のうちのマニホールド６１のみが伝熱媒体流路溝２２に接続され、マニホールド孔６２が、伝熱媒体流路溝２２に接続されていないという特徴がある。
ここでは、図示を省略しているが、第２セル群４１の各セル１０に用いるアノード側導電性セパレータ板１７およびガスケット１９にもマニホールド孔６１、６２、６３と同じ類の孔が形成されている。

なお、カソード側導電性セパレータ板１６Ｂの周縁部には、各セル１０への酸化剤ガスの供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６５、６６が形成されている。つまり、図４（ｂ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ｂの表面において、これらのマニホールド孔６５、６６がサーペンタイン状の酸化剤ガス流路溝１４に接続され、両者は、酸化剤ガス流路溝１４を介して連通している。更に、各セル１０への燃料ガスの供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６７、６８が形成されている。

図４（ｃ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ｃには、第３セル群４２の各セル１０のみへの伝熱媒体の供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６２、６３が形成されている。つまり、図４（ｃ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ｃの裏面において、これらのマニホールド孔６２、６３がサーペンタイン状の伝熱媒体流路溝２２に接続され、両者は、伝熱媒体流路溝２２を介して連通している。

ここでは、図示を省略しているが、第３セル群４２の各セル１０に用いるアノード側導電性セパレータ板１７およびガスケット１９にもマニホールド孔６２、６３と同じ類の孔が形成されている。

なお、カソード側導電性セパレータ板１６Ｃの周縁部には、各セル１０への酸化剤ガスの供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６５、６６が形成されている。つまり、図４（ｃ）のカソード側導電性セパレータ板１６Ｃの表面において、これらのマニホールド孔６５、６６がサーペンタイン状の酸化剤ガス流路溝１４に接続され、両者は、酸化剤ガス流路溝１４を介して連通している。更に、各セル１０への燃料ガスの供給および排出に用いる一対のマニホールド孔６７、６８が形成されている。

ここで、以上のカソード側導電性セパレータ板１６Ａを含む複数のセル１０を積層方向５００（図２参照）に重ねたときに、多数のマニホールド孔６０の連なりとして構成される中空領域（第１マニホールド）が形成される。この第１マニホールドは、上述の第１供給口５０に連通しており、これにより、第１マニホールドが、伝熱媒体の第１供給機構６０Ａとして機能する。

また、カソード側導電性セパレータ板１６Ｂを含む複数のセル１０を積層方向５００（図２参照）に重ねたときに、多数のマニホールド孔６１の連なりとして構成される中空領域（第２マニホールド）が形成される。この第２マニホールドは、上述の第２供給口５１に連通しており、これにより、第２マニホールドが、伝熱媒体の第２供給機構６１Ａとして機能する。

また、カソード側導電性セパレータ板１６Ｃを含むセル１０を積層方向５００（図２参照）に重ねたときに、多数のマニホールド孔６２の連なりとして構成される中空領域（第３マニホールド）が形成される。この第３マニホールドは、上述の第３供給口５２に連通しており、これにより、第３マニホールドが、伝熱媒体の第３供給機構６２Ａとして機能する。

以上のとおり、本実施の形態の燃料電池スタック２００では、一対の集電体３０、３１間に中間集電体３２ａ、３２ｂの対が積層方向５００に積層され、絶縁体３４を挟むようにして積層体１０Ｓの中間の適所において、セル１０間に挿入されている。また、集電体３０、３１間に中間集電体３３ａ、３３ｂの対も積層方向５００に積層され、絶縁体３５を挟むようにして積層体１０Ｓの中間の適所において、セル１０間に挿入されている。

このように、燃料電池スタック２００では、１０個〜２００個の多数のセル１０を中間集電体３２ａ、３２ｂの対および中間集電体３３ａ、３３ｂの対によって第１、第２および第３セル群４０、４１、４２にグループ分けできるという特徴がある。

よって、このような燃料電池スタック２００では、酸化剤ガス中の不純物付着によるカソード触媒の性能劣化を回復する場合に、以下の理由により、燃料電池スタック２００の 発電効率および耐久性を従来例よりも改善できると考えられる。

燃料電池スタックの発電用の酸化剤ガスとして、調達が容易な空気を用いると便利である。しかし、空気は、様々な不純物を含むことが多い。例えば、火山の噴出ガスや自動車の燃焼排ガスには、二酸化硫黄などの硫黄化合物が含まれ、工場の排ガスや自動車の燃焼排ガスには、窒素酸化物やアンモニアなどが含まれ、これらのガスが、空気中に不純物として混入する場合がある。この場合、不純物による燃料電池スタックのカソード触媒への悪影響が懸念される。空気中の様々な不純物がカソード触媒に吸着すると、燃料電池スタックの発電に必要な化学反応が阻害され、ひいては、燃料電池スタックの出力が低下すると考えられる。特に、上述の不純物のうちの硫黄化合物では、カソード触媒との間の吸着力が他の不純物に比べて強いので、多量の硫黄化合物がカソード触媒に蓄積すると、これを除去することが困難となる。

そこで、本件発明者等は、燃料電池スタックの発電効率や耐久性を劣化させる原因として、空気中の硫黄化合物に着目して、カソード触媒に付着した硫黄化合物の効率的な除去の技術開発に取り組んだ。

上述のとおり、硫黄化合物が付着したカソード触媒の電位を上げて硫黄化合物を酸化すると、硫黄化合物のカソード触媒との付着力が弱まることが知られている（特許文献１、２参照）。しかし、これらの特許文献１、２では、外部電源を用いて、不純物が付着したカソードに自然電位よりも高い電位を印加しているので、様々な不都合がある。
例えば、電解質膜やカソードの触媒層中のカーボンが、自然電位よりも高い電位を与えられることによって、劣化し易くなり、その結果、燃料電池スタックの耐久性が低下する。また、外部電源の使用によって、電源系のコストアップとなる。

鋭意検討の結果、本件発明者等は、外部電源を使用せずに、自然電位レベルの電位を与えることでも、硫黄化合物付着によるカソード触媒の性能劣化を回復でき、燃料電池スタックの耐久性を維持できる技術の開発に成功した。

具体的には、所定の時間経過毎に、セル中のカソード触媒をオープン電位（自然電位以下の電位）の状態にして、カソード触媒に付着した硫黄化合物を酸化するとともに、所定の時間経過毎に、燃料電池スタックの発電を停止して燃料電池スタックを冷却するという、何等の外部電源も必要としない簡易な手法により、硫黄化合物付着によるカソード触媒の性能劣化を回復でき、燃料電池スタックの耐久性を維持できることを見出した。
しかし、この場合、燃料電池スタックの全てのセルをオープン電位の状態にすると、燃料電池スタックの発電効率が大幅に低下する。また、燃料電池スタックの全てのセルの発電を停止して燃料電池スタックを冷却した場合も、燃料電池スタックの発電効率が大幅に低下する。

そこで、このような燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制する有力な手段として、本実施の形態では、多数のセル１０を第１、第２および第３セル群４０、４１、４２にグループ分けする構造の案出、および、第１、第２および第３供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａによる第１、第２および第３セル群４０、４１、４２への伝熱媒体の個別供給システムの案出がなされた。

以上により、硫黄化合物付着によるカソード触媒の性能劣化を回復する場合、燃料電池スタック２００の一部のセル１０のみにオープン電位（自然電位以下の電位）を与え、燃料電池スタック２００の一部のセル１０のみを冷却するので、燃料電池スタック２００の耐久性および発電効率を従来例よりも改善できる。

（実施の形態２）
［燃料電池システム３００の構成例］
図５は、本発明の実施の形態２による燃料電池システムの構成例を示した図である。

図５に示すように、本実施の形態の燃料電池システム３００には、実施の形態１で述べた燃料電池スタック２００が組み込まれている。また、燃料電池システム３００には、この燃料電池スタック２００の動作に必要な様々な機器が併設されている。

具体的には、燃料電池システム３００は、燃料電池スタック２００のアノードに燃料ガス（例えば、水素ガス）を送出できる燃料ガス供給器１００と、燃料電池スタック２００のカソードに酸化剤ガス（例えば、空気）を送出できる酸化剤ガス供給器１１０と、燃料電池スタック２００の温度を適温に保つように、伝熱媒体としての冷却水を燃料電池スタック２００に送出できる冷却水供給器１２０と、制御器１５０と、を備える。
燃料ガス供給器１００は、既存のインフラの設備（例えば、家庭用のガスの元栓）から提供される原料ガス中の硫黄成分を除去できる脱硫器１０１と、脱硫後の原料ガスと水蒸気とを用いて改質反応により水素ガスに改質できる燃料処理器１０３と、この燃料処理器１０３への原料ガスの供給量を調整できる原料ガス調整器１０２（例えば、昇圧ポンプ）と、を備える。

酸化剤ガス供給器１１０は、酸化剤ガスとしての空気を取り込む場合の酸化剤ガス流量を調整できる酸化剤ガス調整器１１１（例えば、ブースタポンプ）と、酸化剤ガス中の様々な不純物を除去できる不純物除去器１１２（例えば、フィルタ）と、不純物除去後の酸化剤ガスを加湿できる加湿器１１３と、を備える。

冷却水供給器１２０は、既存のインフラの設備（例えば、家庭用の市水の蛇口）から提供される市水を取り込む場合の市水量を調整できる市水供給ポンプ１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃと、冷却水を貯める冷却水タンク１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃと、冷却水タンク１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃのそれぞれに貯めた冷却水を燃料電池スタック２００に圧送できる冷却水ポンプ１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃと、燃料電池スタック２００から流出した冷却水に対して熱交換が行われる熱交換器１２３と、を備える。

図５に示すように、市水供給ポンプ１２４Ａ、冷却水タンク１２１Ａおよび冷却水ポンプ１２２Ａを用いて、第１供給口５０から第１供給機構６０Ａに冷却水（市水）を供給できる。また、市水供給ポンプ１２４Ｂ、冷却水タンク１２１Ｂおよび冷却水ポンプ１２２Ｂを用いて、第２供給口５１から第２供給機構６１Ａに冷却水（市水）を供給できる。また、市水供給ポンプ１２４Ｃ、冷却水タンク１２１Ｃおよび冷却水ポンプ１２２Ｃを用いて、第３供給口５２から第３供給機構６２Ａに冷却水（市水）を供給できる。

なお、冷却水供給器１２０は、必ずしも、図５の如く、第１、第２および第３供給口５０、５１、５２のそれぞれに対応して冷却水タンク１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃを配置する構造に限定されず、様々な水供給系によって構成できる。例えば、冷却水供給器１２０が、燃料電池スタック２００の適温維持動作用（後述）の水を貯えるタンク（図示せず）と、燃料電池スタック２００の強制冷却動作用（後述）の水を貯えるタンク（図示せず）と、を備えてもよい。これにより、適宜の切り替え弁（図示せず）を用いて、第１、第２および第３供給口５０、５１、５２への水の供給切り替えを行うことができる。
以上のとおり、本実施の形態の燃料電池システム３００では、実施の形態１で述べた伝熱媒体の一例として冷却水が用いられており、図５に示すように、冷却水タンク１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ内の冷却水を燃料電池スタック２００内に循環させることよって、発熱反応が起こる燃料電池スタック２００の温度が適温（８０℃程度）に維持されている。燃料電池スタック２００から流出した水は、燃料電池スタック２００内を通過する際に高温に加熱されているので、熱交換器１２３では、このような高温水が加熱流体として機能する。つまり、熱交換器１２３において、この高温水と、適宜の低温の受熱流体（図示せず）との間の熱交換が行われ、これにより、高温水が、上記熱交換により冷却されて、冷却水タンク１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃに戻る。

なお、以上の如く、熱交換器１２３によって冷却された冷却水のみを燃料電池スタック２００内に循環させることよって、燃料電池スタック２００の温度を適温（８０℃程度）に維持する動作ことを、ここでは、便宜上、燃料電池スタック２００の適温維持動作という。

一方、燃料電池スタック２００を急速に（強制的に）冷却する場合、市水供給ポンプ１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃを用いて低温の市水を冷却水タンク１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃに送り、このような低温の市水を燃料電池スタック２００内に循環させるとよい。

なお、以上の如く、熱交換器１２３によって冷却された冷却水の他、低温の市水を燃料電池スタック２００内に循環させることよって、燃料電池スタック２００の温度を急速に（強制的に）冷やすことを、ここでは、便宜上、燃料電池スタック２００の強制冷却動作という。

制御器１５０は、例えば、ＣＰＵやメモリを内蔵するマイコンによって構成されており、本実施の形態の燃料電池システム３００を様々な動作を制御している。

特に、本実施の形態の燃料電池システム３００では、制御器１５０は、後述のスイッチング回路４００（図６参照）を用いて燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）と、後述のインバータ１３４（出力回路）との間の接続の切り替え動作を制御している。制御器１５０は、単独でも複数でもよい。

なお、燃料電池システム３００には、図５に示すように、集電体３０、３１間の電圧を検知できる全セル電圧検知器Ｖが配され、これにより、燃料電池スタック２００の全てのセル１０での発電電圧を検知できる。また、集電体３０と中間集電体３２ａとの間の電圧を検知できる第１セル群電圧検知器Ｖ１が配され、これにより、燃料電池スタック２００の第１セル群４０での発電電圧を検知できる。また、中間集電体３２ｂと中間集電体３３ａとの間の電圧を検知できる第２セル群電圧検知器Ｖ２が配され、これにより、燃料電池スタック２００の第２セル群４１での発電電圧を検知できる。また、中間集電体３３ｂと集電体３１との間の電圧を検知できる第３セル群電圧検知器Ｖ３が配され、これにより、燃料電池スタック２００の第３セル群での発電電圧を検知できる。

図６は、図５の燃料電池スタックの第１、第２および第３セル群とインバータとの間の接続切り替え用のスイッチング回路の一例を示した図である。

但し、図６では、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の図示を簡略化している。

スイッチング回路４００は、図６に示すように、インバータ１３４と第１セル群４０との間に配された第１接続切り替えスイッチ１３１と、第１セル群４０と第２セル群４１との間に配された第２接続切り替えスイッチ１３２と、第２セル群４１と第３セル群４２との間に配された第３接続切り替えスイッチ１３３と、を備える。

ここで、第１接続切り替えスイッチ１３１を用いてインバータ１３４と第１セル群４０との間の電気接続が行われ、第２接続切り替えスイッチ１３２を用いて第１セル群４０と第２セル群４１との間の電気接続が行われ、第３接続切り替えスイッチ１３３を用いて第２セル群４１と第３セル群４２との間の電気接続が行われる場合、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の全てがインバータ１３４に接続される。その結果、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電が行われる。

また、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の全てがインバータ１３４に接続された状態で、第１接続切り替えスイッチ１３１が切り替わり、インバータ１３４と第２セル群４１との間の電気接続（インバータ１３４と第１セル群４０との間の電気遮断）が行われると、第１セル群４０をインバータ１３４に接続させずにオープン状態にできる。よって、この場合、第１セル群４０でのインバータ１３４への給電が停止する。

また、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の全てがインバータ１３４に接続された状態で、第２接続切り替えスイッチ１３２および第３接続切り替えスイッチ１３３が切り替わり、第１セル群４０と第３セル群４２との間の電気接続（インバータ１３４と第２セル群４１との間の電気遮断）が行われると、第２セル群４１をインバータ１３４に接続させずにオープン状態にできる。よって、この場合、第２セル群４１でのインバータ１３４への給電が停止する。

また、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の全てがインバータ１３４に接続された状態で、第３接続切り替えスイッチ１３３が切り替わり、インバータ１３４と第２セル群４１との間の電気接続（インバータ１３４と第３セル群４２との間の電気遮断）が行われると、第３セル群４２をインバータ１３４に接続させずにオープン状態にできる。よって、この場合、第２セル群４２でのインバータ１３４への給電が停止する。

以上のとおり、本実施の形態の燃料電池システム３００では、第１、第２および第３接続切り替えスイッチ１３１、１３２、１３３を用いて第１、第２および第３セル群４０、４１、４２のそれぞれを独立にオープン状態にできる。

これにより、燃料電池システム３００は、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電を、これらのセル群４０、４１、４２毎に個別に停止できるという特徴がある。

[燃料電池システム３００の不純物除去の動作例]
次に、本実施の形態の燃料電池システム３００によるカソード触媒に付着した不純物（ここでは、不純物として、酸化剤ガス（空気）中の二酸化硫黄を例示）の除去の動作例について、図面を参照しながら説明する。

図７は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムによるカソード触媒に付着した不純物除去の運転シーケンスの一例を示したフローチャートである。

なお、図７に示した各動作フローは、予めプログラムされて、以下の動作に必要な常数や関係式とともに、制御器１５０のメモリに記憶されている。
制御器１５０のＣＰＵからの指令に基づいて、上記プログラムおよび上記常数や関係式が、燃料電池システム３００の運転中の適時に、制御器１５０のＣＰＵに読み出され、このプログラムが、以下の動作を燃料電池システム３００の各部を制御しながら遂行する。
なお、図７および以下の説明では省略するが、制御器１５０は、第１時間、第２時間および設定時間をカウントするカウンタを備えており、これらのカウンタはそれぞれ、適時に初期化される。

燃料電池システム３００の運転中、燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の発電継続時間が、第１時間を経過したか否かが監視されている（ステップＳ１０１）。

燃料電池スタック２００の発電継続時間が第１時間を経過した場合（ステップＳ１０１において「Ｙｅｓ」の場合）、燃料電池システム３００は、次のステップ（ステップＳ１０２以降）に進み、カソード触媒に付着した二酸化硫黄の酸化モードに入る。
一方、燃料電池スタック２００の発電継続時間が第１時間を経過していない場合（ステップＳ１０１において「Ｎｏ」の場合）、燃料電池システム３００では、通常の発電が行われる（つまり、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電が行われる）。

なお、第１時間は、燃料電池スタック２００に供給した酸化剤ガス（空気）の第１積算供給量「Ｉ_１」が、閾値量「Ｉ_１」に到達した時間であり、燃料電池スタック２００の構成や使用条件などよって異なるが、通常、数時間〜数十時間程度の時間であると考えられる。

第１積算供給量「Ｉ_１」は、酸化剤ガス（大気）中の二酸化硫黄濃度「ｃ」と、酸化剤ガス供給器１１０の不純物除去器１１２の最低除去率「ｒ」を用いて、以下の式（２）の如く定式化できる。

式（２）中の数値「ｅ_１」は、酸化剤ガス中の二酸化硫黄が、燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の発電電圧を低下させる場合、この発電電圧の低下電圧が、予め設定した閾値電圧に到達するときの、二酸化硫黄の暴露量に相当する。

二酸化硫黄の暴露量と燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の低下電圧との間の関係は、燃料電池スタック２００の構成や使用条件などによって異なるので、全セル電圧検知器Ｖ（図５参照）、および、第１、第２および第３セル群電圧検知器Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（図５参照）、並びに、酸化剤ガス流量計（図示せず）を用いて予備実験を行い、両者間の関係を求める必要がある。

なお、全セル電圧検知器Ｖを用いて全てのセル１０の閾値量を求めたうえで、単位セル１０当りの閾値量を割り出し、第１、第２および３セル群４０、４１、４２の閾値量を決める方法でも、第１、第２および３セル群電圧検知器Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を用いて、第１、第２および３セル群４０、４１、４２の閾値量を決める方法でも、何れの方法を採用してもよい。
Ｉ_１＝ｅ_１/（ｃ×ｒ）・・・（２）
燃料電池システム３００が二酸化硫黄の酸化モードに入ると、まず、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が、予め定められた時間（設定時間）の間、一時的に切り替わり、これにより、第２セル群４１でのインバータ１３４への給電が一時的に停止する（つまり、第２セル群４１による発電が一時的に停止する）（ステップＳ１０２、ステップＳ１０３）。
以上により、第２セル群４１は開回路状態（オープン状態）となり、第２セル群４１中のセル１０の電圧が自然電位レベルにまで自動的に上昇する。すると、これらのセル１０のカソード触媒の電極電位が上昇するので、カソード触媒に吸着した二酸化硫黄を酸化することができる。また、この場合、カソード触媒の電極電位は、自然電位以下となるので、カソード触媒中のカーボンの劣化を抑制することができる。

なお、ステップ１０３において、カソード触媒の電極電位が一時的に上昇するのに必要な設定時間は、数秒〜数十秒程度でよい。

次いで、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が再び、予め定められた時間（設定時間）の間、一時的に切り替わり、これにより、第１セル群４０でのインバータ１３４への給電が一時的に停止する（つまり、第１セル群４０による発電が一時的に停止する）（ステップＳ１０４、ステップＳ１０５）。

以上により、第１セル群４０は開回路状態（オープン状態）となり、第１セル群４０中のセル１０の電圧が自然電位レベルにまで自動的に上昇する。すると、これらのセル１０のカソード触媒の電極電位が上昇するので、カソード触媒に吸着した二酸化硫黄を酸化することができる。また、この場合、カソード触媒の電極電位は、自然電位以下となるので、カソード触媒中のカーボンの劣化を抑制することができる。

なお、ステップ１０５において、カソード触媒の電極電位が一時的に上昇するのに必要な設定時間は、数秒〜数十秒程度でよい。

次いで、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が再び、予め定められた時間（設定時間）の間、一時的に切り替わり、これにより、第３セル群４２でのインバータ１３４への給電が一時的に停止する（つまり、第３セル群４２による発電が一時的に停止する）（ステップＳ１０６、ステップＳ１０７）。

以上により、第３セル群４２は開回路状態（オープン状態）となり、第３セル群４２中のセル１０の電圧が自然電位レベルにまで自動的に上昇する。すると、これらのセル１０のカソード触媒の電極電位が上昇するので、カソード触媒に吸着した二酸化硫黄を酸化することができる。また、この場合、カソード触媒の電極電位は、自然電位以下となるので、カソード触媒中のカーボンの劣化を抑制することができる。

なお、ステップ１０７において、カソード触媒の電極電位が一時的に上昇するのに必要な設定時間は、数秒〜数十秒程度でよい。

このように、本実施の形態の燃料電池システム３００による二酸化硫黄の酸化モードでは、燃料電池スタック２００の一部のセル１０のみを発電停止した状態で、発電停止状態のセル１０についてカソード触媒に付着した二酸化硫黄の酸化を行うことができる。
以上の二酸化硫黄の酸化モードが終了すると、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が再び、切り替わり、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電が行われる（つまり、燃料電池スタックの全てのセル１０において、通常の発電が行われる）（ステップＳ１０８）。

ところで、燃料電池システム３００の運転中、燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の発電継続時間が、上記第１時間よりも充分に長い第２時間を経過したか否かも監視されている（ステップＳ１０９）。

燃料電池スタック２００の発電継続時間が第２時間を経過した場合（ステップＳ１０９において「Ｙｅｓ」の場合）、燃料電池システム３００は、次のステップ（ステップＳ１１０以降）に進み、カソード触媒に付着した二酸化硫黄の洗浄モードに入る。

一方、燃料電池スタック２００の発電継続時間が第２時間を経過していない場合（ステップＳ１０１において「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ１０１に戻る。

なお、第２時間は、燃料電池スタック２００に供給した酸化剤ガスの、上記第１積算供給量「Ｉ_１」よりも多量の第２積算供給量「Ｉ_２」が、閾値量「Ｉ_２」に到達した時間であり、燃料電池スタック２００の構成や使用条件などよって異なるが、第１時間よりも長い時間であり、通常、数日〜数十日程度の時間であると考えられる。

第２積算供給量「Ｉ_２」は、酸化剤ガス中の二酸化硫黄濃度「ｃ」と、酸化剤ガス供給器１１０の不純物除去器１１２の最低除去率「ｒ」を用いて、以下の式（３）如く定式化できる。

式（３）中の数値「ｅ_２」は、酸化剤ガス中の二酸化硫黄が、燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の発電電圧を低下させる場合において、燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の一回の起動停止によって、カソード触媒から除去できる二酸化硫黄の暴露量に相当する。

カソード触媒に付着した二酸化硫黄をカソード触媒から除去できたか否かの判定は、全セル電圧検知器Ｖ、および、第１、第２および第３セル群電圧検知器Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を用いて、カソード触媒に付着した二酸化硫黄除去後の燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の発電電圧を、これらの正常な発電電圧と比較することにより行うとよい。つまり、全セル電圧検知器Ｖ、および、第１、第２および第３セル群電圧検知器Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を用いて、二酸化硫黄除去後の燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の発電電圧が、二酸化硫黄のカソード触媒への付着によって生じた電圧低下をほぼ回復できているか否かによって判定するとよい。

燃料電池スタック２００（第１、第２および第３セル群４０、４１、４２）の一回の起動停止によって回復できる電圧と、二酸化硫黄の暴露量の関係は、燃料電池スタック２００の構成や使用条件などによって異なるので、全セル電圧検知器Ｖ、および、第１、第２および第３セル群電圧検知器Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、並びに、酸化剤ガス流量計（図示せず）を用いて予備実験を行い、両者間の関係を求める必要がある。
Ｉ_１＝ｅ_２/（ｃ×ｒ）・・・（３）
燃料電池システム３００が二酸化硫黄の洗浄モードに入ると、まず、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が、予め定められた時間（設定時間）の間、一時的に切り替わり、これにより、第２セル群４１でのインバータ１３４への給電が一時的に停止する（つまり、第２セル群４１による発電が一時的に停止する）（ステップＳ１１０、ステップＳ１１１）。同時に、このような設定時間の間、第２供給機構６１Ａへの冷却水供給の動作が適温維持動作から強制冷却動作に移行する（ステップＳ１１０、ステップＳ１１１）。なお、このとき、第１および第３供給機構６０Ａ、６２Ａへの冷却水供給の動作は適温維持動作となっている。

つまり、市水供給ポンプ１２４Ｂを用いて低温の市水が冷却水タンク１２１Ｂに送られ、このような低温の市水が、冷却水ポンプ１２２Ｂを用いて燃料電池スタック２００の第２セル群４１のみを循環する。

以上により、第２セル群４１は開回路状態（オープン状態）となり、第２セル群４１中のセル１０の電圧が自然電位レベルにまで自動的に上昇する。すると、これらのセル１０のカソード触媒の電極電位が上昇するので、カソード触媒に吸着した二酸化硫黄を酸化することができる。また、第２セル群４１の急速冷却によって反応ガスから多量の凝縮水を生成できるので、発電停止状態の第２セル群４１において、酸化後の二酸化硫黄を容易に洗い流すことができる（つまり、二酸化硫黄の除去量を増やすことができる）。

なお、第２セル群４１の強制冷却動作での温度（冷却水温度）は、カソード触媒に付着した二酸化硫黄を洗い流すのに必要な凝縮水量が得られる温度に設定するとよい。この設定温度は、反応ガスの加湿条件や燃料電池スタック２００の発電時の温度条件により異なるが、設定温度が低いほど凝縮水の量が増加するので、低温にするほど好ましい。

但し、設定温度を、燃料電池スタック２００の発電時の温度より十℃〜数十℃程度低くすれば、以上の二酸化硫黄の洗浄効果は適切に得られることが見出されている。

また、ステップＳ１１１において、上記設定温度を継続するのに必要な設定時間は、数十分〜数時間程度であることが好ましい。

これにより、この設定時間内に、酸化後の二酸化硫黄を凝縮水中に溶解でき、カソード触媒から二酸化硫黄を脱離させることができる。

次いで、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が再び、予め定められた時間（設定時間）の間、一時的に切り替わり、これにより、第１セル群４０でのインバータ１３４への給電が一時的に停止する（つまり、第１セル群４０による発電が一時的に停止する）（ステップＳ１１２、ステップＳ１１３）。同時に、このような設定時間の間、第１供給機構６０Ａへの冷却水供給の動作が適温維持動作から強制冷却動作に移行する（ステップＳ１１２、ステップＳ１１３）。なお、このとき、第２および第３供給機構６１Ａ、６２Ａへの冷却水供給の動作は適温維持動作となっている。

つまり、市水供給ポンプ１２４Ａを用いて低温の市水が冷却水タンク１２１Ａに送られ、このような低温の市水が、冷却水ポンプ１２２Ａを用いて燃料電池スタック２００の第１セル群４０のみを循環する。

以上により、第１セル群４０は開回路状態（オープン状態）となり、第１セル群４０中のセル１０の電圧が自然電位レベルにまで自動的に上昇する。すると、これらのセル１０のカソード触媒の電極電位が上昇するので、カソード触媒に吸着した二酸化硫黄を酸化することができる。また、第１セル群４０の急速冷却によって反応ガスから多量の凝縮水を生成できるので、発電停止状態の第１セル群４０において、酸化後の二酸化硫黄を容易に洗い流すことができる（つまり、二酸化硫黄の除去量を増やすことができる）。

なお、第１セル群４０の強制冷却動作での温度（冷却水温度）は、カソード触媒に付着した二酸化硫黄を洗い流すのに必要な凝縮水量が得られる温度に設定するとよい。この設定温度は、反応ガスの加湿条件や燃料電池スタック２００の発電時の温度条件により異なるが、設定温度が低いほど凝縮水の量が増加するので、低温にするほど好ましい。

但し、この設定温度を、燃料電池スタック２００の発電時の温度より十℃〜数十℃程度低くすれば、以上の二酸化硫黄の洗浄効果は適切に得られることが見出されている。

また、ステップＳ１１３において、上記設定温度を継続するのに必要な設定時間は、数十分〜数時間程度であることが好ましい。

これにより、この設定時間内に、酸化後の二酸化硫黄を凝縮水中に溶解でき、カソード触媒から二酸化硫黄を脱離させることができる。

次いで、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が再び、予め定められた時間（設定時間）の間、一時的に切り替わり、これにより、第３セル群４２でのインバータ１３４への給電が一時的に停止する（つまり、第３セル群４２による発電が一時的に停止する）（ステップＳ１１４、ステップＳ１１５）。同時に、このような設定時間の間、第３供給機構６２Ａへの冷却水供給の動作が適温維持動作から強制冷却動作に移行する（ステップＳ１１４、ステップＳ１１４）。なお、このとき、第１および第２供給機構６０Ａ、６１Ａへの冷却水供給の動作は適温維持動作となっている。

つまり、市水供給ポンプ１２４Ｃを用いて低温の市水が冷却水タンク１２１Ｃに送られ、このような低温の市水が、冷却水ポンプ１２２Ｃを用いて燃料電池スタック２００の第３セル群４２のみを循環する。

以上により、第３セル群４２は開回路状態（オープン状態）となり、第３セル群４２中のセル１０の電圧が自然電位レベルにまで自動的に上昇する。すると、これらのセル１０のカソード触媒の電極電位が上昇するので、カソード触媒に吸着した二酸化硫黄を酸化することができる。また、第３セル群４２の急速冷却によって反応ガスから多量の凝縮水を生成できるので、発電停止状態の第３セル群４２において、酸化後の二酸化硫黄を容易に洗い流すことができる（つまり、二酸化硫黄の除去量を増やすことができる）。

なお、第３セル群４２の強制冷却動作での温度（冷却水温度）は、カソード触媒に付着した二酸化硫黄を洗い流すのに必要な凝縮水量が得られる温度に設定するとよい。この設定温度は、反応ガスの加湿条件や燃料電池スタック２００の発電時の温度条件により異なるが、設定温度が低いほど凝縮水の量が増加するので、低温にするほど好ましい。

但し、この設定温度を、燃料電池スタック２００の発電時の温度より十℃〜数十℃程度低くすれば、以上の二酸化硫黄の洗浄効果は適切に得られることが見出されている。

また、ステップＳ１１５において、上記設定温度を継続するのに必要な設定時間は、数十分〜数時間程度であることが好ましい。

これにより、この設定時間内に、酸化後の二酸化硫黄を凝縮水中に溶解でき、カソード触媒から二酸化硫黄を脱離させることができる。

このように、本実施の形態の燃料電池システム３００による二酸化硫黄の洗浄モードでは、燃料電池スタック２００の一部のセル１０のみを発電停止した状態で、発電停止状態のセル１０についてカソード触媒に付着した二酸化硫黄の洗い流すことができる。

以上の二酸化硫黄の洗浄モードが終了すると、スイッチング回路４００を用いて、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続が再び、切り替わり、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電が行われる（つまり、燃料電池スタックの全てのセル１０において、発電が行われる）（ステップＳ１１６）。同時に、第１、第２および第３供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａへの冷却水供給の動作が全て適温維持動作になり（ステップＳ１１６）、ステップＳ１０１に戻る。

以上のとおり、本実施の形態の燃料電池システム３００は、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２とインバータ１３４との間の電気接続および電気遮断を可能にするスイッチング回路４００を備える。そして、本実施の形態の燃料電池システム３００では、このようなスイッチング回路４００によって、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電を、これらのセル群４０、４１、４２毎に個別に停止できるという特徴がある。

詳しくは、上述のとおり、本実施の形態の燃料電池システム３００は、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の発電継続時間が、第１時間を経過した場合、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電が、スイッチング回路４００を用いて順次、停止される。そして、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の発電継続時間が、第２時間を経過した場合、第１、第２および第３セル群４０、４１、４２でのインバータ１３４への給電が、スイッチング回路４００を用いて順次、停止されるとともに、インバータ１３４への給電停止状態の第１、第２および第３セル群４０、４１、４２の冷却が、第１、第２および第３供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａを用いて順次、行われる。

以上により、本実施の形態の燃料電池システム３００では、燃料電池システム３００の燃料電池スタック２００の一部のセル１０のみを発電停止した状態で、発電停止状態のセル１０について、硫黄化合物の付着によるカソード触媒の性能劣化を回復が行われる。
よって、硫黄化合物付着によるカソード触媒の性能劣化を回復する場合、燃料電池スタック２００の一部のセル１０のみにオープン電位（自然電位以下の電位）与え、燃料電池スタック２００の一部のセル１０のみを冷却するので、燃料電池スタック２００の耐久性および発電効率を従来例よりも改善できる。

なお、本発明は、以上に例示した第１、第２および第３供給機構６０Ａ、６１Ａ、６２Ａの個数や形状、排出機構６３Ａの個数や構成、酸化剤ガス流路溝１４の本数や形状、および、伝熱媒体流路溝２２の本数や形状などに限定されず、本明細書の趣旨から容易に改変できる様々な形態に適用できる。

また、以上に例示した燃料電池スタック２００は、高分子電解質型の燃料電池であるが、本発明は、これに限定されず、不純物による触媒汚染の影響を回復処理する必要がある様々なタイプの燃料電池、および、このような燃料電池を備える様々なシステムに適用できる。

本発明によれば、不純物付着による触媒の性能劣化を回復する場合に、発電効率および耐久性が従来例よりも改善できる燃料電池スタックおよび燃料電池システムが得られる。
よって、本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の様々な用途として有用である。

１０、１０Ａ セル
１０Ｓ 積層体
１１ 水素イオン伝導性高分子電解質膜
１２ カソードガス拡散電極
１３ アノードガス拡散電極
１４ 酸化剤ガス流路溝
１５ 燃料ガス流路溝
１６ カソード導電性セパレータ板
１７ アノード導電性セパレータ板
１８ ＭＥＡ
１９ ガスケット
２２、２３ 伝熱媒体流路溝
２８ 矩形流路
３０、３１ 端部集電体
３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ 中間集電体
３４、３５ 絶縁体
４０ 第１セル群
４１ 第２セル群
４２ 第３セル群
５０ 第１供給口
５１ 第２供給口
５２ 第３供給口
５３ 排出口
６０、６１、６２、６３、６５、６６、６７、６８ マニホールド孔
６０Ａ 第１供給機構
６１Ａ 第２供給機構
６２Ａ 第３供給機構
６３Ａ 排出機構
７０、７１ 絶縁板
７２、７３ 端板
７４、７５ 弾性体
１００ 燃料ガス供給器
１０１ 脱硫器
１０２ 原料ガス調整器
１０３ 燃料処理器
１１０ 酸化剤ガス供給器
１１１ 酸化剤ガス調整器
１１２ 不純物除去器
１１３ 加湿器
１２０ 冷却水供給器
１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ 冷却水タンク
１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ 冷却水ポンプ
１２３ 熱交換器
１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ 市水供給ポンプ
１３１ 第１接続切り替えスイッチ
１３２ 第２接続切り替えスイッチ
１３３ 第３接続切り替えスイッチ
１３４ インバータ（出力回路）
１５０ 制御器
２００ 燃料電池スタック
３００ 燃料電池システム
４００ スイッチング回路
５００ 積層方向
Ｖ 全セル電圧検知器
Ｖ１ 第１セル群電圧検知器
Ｖ２ 第２セル群電圧検知器
Ｖ３ 第３セル群電圧検知器

Claims (6)

1. 一対の集電体間に２以上の単電池が積層され、前記単電池に伝熱媒体を供給できる供給機構が前記単電池の積層方向に延びている燃料電池スタックであって、
   前記集電体間に一対の中間集電体が前記積層方向に積層され、前記中間集電体の対が、前記単電池間に挿入されており、
   前記一対の中間集電体が、前記積層方向に絶縁体を挟んでいる、燃料電池スタック。
2. 前記２以上の単電池が、前記中間集電体の対によって複数の単電池群にグループ分けされており、
   前記供給機構は、前記単電池群のそれぞれに独立に、前記伝熱媒体を供給するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックが搭載され、前記燃料電池スタックによって発電が行われる燃料電池システム。
4. 前記単電池群と出力回路との間の電気接続および電気遮断を可能にするスイッチング回路を備え、
   前記スイッチング回路によって、前記単電池群での出力回路への給電を、前記単電池群毎に個別に停止できるように構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記単電池群の発電継続時間が、第１時間を経過した場合、前記単電池群での前記出力回路への給電が、前記スイッチング回路を用いて順次、停止され、
   前記単電池群の発電継続時間が、第２時間を経過した場合、前記単電池群での前記出力回路への給電が、前記スイッチング回路を用いて順次、停止されるとともに、前記出力回路への給電停止状態の前記単電池群の冷却が、前記供給機構を用いて順次、行われる、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２時間は前記第１時間よりも長い請求項５に記載の燃料電池システム。
   

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