(57)【要約】      （修正有）【課題】カソードの触媒被毒物質除去に有益な新たな手法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、電池セルユニット３４０を構成するカソードの電位を、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れると、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位に制御すると、プロトンと電子の反応に伴いカソードでは水素が生成されると共に、流れ込んだ電子による触媒被毒物質のラジカル化が起き、触媒表面の触媒被毒物質は水素生成反応および／またはラジカル化の影響を受けて分解除去される。この結果、カソードの触媒被毒物質の除去を通して触媒活性の低減を抑制し、発電性能の維持もしくは向上を図る。【選択図】図５
2014225370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電極触媒層からなるアノードとカソードとを電解質膜の両膜面に接合した膜電極接合体と、
前記カソードの電位を、前記カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れると、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位に制御する電位制御部とを備える
燃料電池。
【請求項２】
前記電位制御部は、前記被毒起因事象が現れた際に前記電解質膜が所定の湿潤状態より高い高湿潤状態であると、前記カソードの電位を前記負電位に制御する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電位制御部は、前記被毒起因事象が現れた際に前記カソードに残存する酸化ガスの残存量が所定の残存量より少ない低残存状況であると、前記カソードの電位を前記負電位に制御する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
更に、電力を充放電する２次電池を備え、
前記電位制御部は、前記２次電池を用いて、前記カソードの電位を前記負電位に制御する
燃料電池。
【請求項５】
燃料電池システムであって、
電極触媒層からなるアノードとカソードとを電解質膜の両膜面に接合した膜電極接合体を発電単位とする燃料電池を、スタック状に複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに含まれる前記燃料電池ごとの前記カソードの電位を、前記カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れると、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位に制御する電位制御部とを備え、
該電位制御部は、
前記カソードの電位を前記負電位に制御するに当たり、前記燃料電池スタックに含まれる全ての前記燃料電池について、前記カソードの電位を前記負電位に制御する第１制御と、前記燃料電池スタックに含まれる少なくとも一部の前記燃料電池について、前記カソードの電位を前記負電位に制御する第２制御とを使い分ける
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池と、該燃料電池の発電電力にて駆動し、その駆動力にて車両走行を図るモーターとを備える車両。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池システムと、該燃料電池システムに含まれる前記燃料電池の発電電力にて駆動し、その駆動力にて車両走行を図るモーターとを備える車両。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の車両であって、
前記電位制御部は、車両走行中に前記モーターで得られる回生電力にて、前記カソードの電位を前記負電位に制御する
車両。
【請求項９】
請求項６または請求項７に記載の車両であって、
前記電位制御部は、搭載済みの前記２次電池を車両から取り外す際に、該２次電池を用いて、前記カソードの電位を前記負電位に制御する
車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と燃料電池システムおよび車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電極触媒層からなるアノードとカソードとを電解質膜の両膜面に接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備え、燃料ガスと酸素含有の酸化剤ガスの供給をアノードとカソードの両電極に受ける。そして、このＭＥＡは、供給された燃料と酸素、例えば水素と酸素との電気化学反応を起こして発電し、その発電電力を外部の負荷に出力する。この電気化学反応は、アノードおよびカソードに含まれる白金等の触媒の存在下で進行状況するので、円滑な反応進行の上から触媒活性の低減抑制が求められる。このため、触媒活性の低減抑制を図る手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記提案された手法では、カソードに含まれる白金触媒の表面を覆う触媒被毒物質を生成水により洗い流すことで、触媒被毒物質の除去を図り、触媒活性の低減を抑制している。ところが、生成水による洗い流しでは触媒被毒物質の除去が十分とは言えないことも有り得るため、カソードの触媒被毒物質除去に有益な新たな手法が要請されるに到った。この他、カソードの触媒被毒物質の除去を図る上での簡便化やコスト低下、或いは、搭載した燃料電池の発電電力を駆動力とする車両における走行性への影響低減も要請されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電極触媒層からなるアノードとカソードとを電解質膜の両膜面に接合した膜電極接合体と、前記カソードの電位を、前記カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れると、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位に制御する電位制御部とを備える。上記形態の燃料電池では、カソード電位は、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位であることから、アノードから電解質膜を経てプロトン（Ｈ+）がカソードに到達すると共に、電子（ｅ-）も流れ込む。よって、プロトンと電子の反応に伴いカソードでは水素が生成されると共に、流れ込んだ電子による触媒被毒物質のラジカル化が起き得ることから、触媒表面の触媒被毒物質は水素生成反応および／またはラジカル化の影響を受けて分解除去される。この結果、上記形態の燃料電池によれば、カソードの触媒被毒物質の除去を通して触媒活性の低減を抑制するので、発電性能の維持もしくは向上を図ることができる。また、カソード電位の負電位化を行えば良いことから、簡便である。この場合、カソードの負電位化を０Ｖから−０．６Ｖという範囲とすればよいので、この点からも簡便である。そして、この範囲のカソード電極の負電位化で、カソードでの既述した水素生成とラジカル化による触媒表面の触媒被毒物質の分解除去の実効性を確保できる。この他、カソード電位の負電位化は、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れる場合にしか行わないので、燃料電池の発電運転の最中での実行頻度が少なくなり、発電運転への影響を低減できる。なお、カソードに流れ込んだ電子によりヒドロキシラジカルが生成されても、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れる場合でしかヒドロキシラジカルの生成は起きないので、電解質膜の損傷を招く危惧は低い。
【０００７】
（２）上記した形態の燃料電池において、前記電位制御部は、前記被毒起因事象が現れた際に前記電解質膜が所定の湿潤状態より高い高湿潤状態であると、前記カソードの電位を前記負電位に制御するようにできる。こうすれば、電解質膜が高湿潤である故に、内部抵抗が大きくならないので、小さな電力でカソード電位を負電位化できる。これに加え、高湿潤の電解質膜の膜面に接合したカソードにあっても電極触媒層の細孔が水により塞がれ、酸化ガスが触媒表面まで到達できなくなることから、カソード電位の速やかな負電位化が可能となる。
【０００８】
（３）上記した形態の燃料電池において、前記電位制御部は、前記被毒起因事象が現れた際に前記カソードに残存する酸化ガスの残存量が所定の残存量より少ない低残存状況であると、前記カソードの電位を前記負電位に制御するようにできる。こうすれば、アノードから電解質膜を経てカソードに到達したプロトン（Ｈ+）がカソードの酸化ガスの酸素と反応する機会を低減させて、カソードでの水素生成を起こすので、触媒表面の触媒被毒物質の分解除去の実効性を確保できる。
【０００９】
（４）上記したいずれかの形態の燃料電池において、更に、電力を充放電する２次電池を備え、前記電位制御部は、前記２次電池を用いて、前記カソードの電位を前記負電位に制御するようにできる。こうすれば、カソード電位の負電位化をより確実、且つ簡便に実行できる。
【００１０】
（５）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、電極触媒層からなるアノードとカソードとを電解質膜の両膜面に接合した膜電極接合体を発電単位とする燃料電池を、スタック状に複数積層した燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに含まれる前記燃料電池ごとの前記カソードの電位を、前記カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れると、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位に制御する電位制御部とを備える。この電位制御部は、前記カソードの電位を前記負電位に制御するに当たり、前記燃料電池スタックに含まれる全ての前記燃料電池について、前記カソードの電位を前記負電位に制御する第１制御と、前記燃料電池スタックに含まれる少なくとも一部の前記燃料電池について、前記カソードの電位を前記負電位に制御する第２制御とを使い分ける。上記形態の燃料電池システムでは、第１制御にては全ての燃料電池について、第２制御にて一部の燃料電池について、それぞれカソードの触媒被毒物質を除去して触媒活性の低減を抑制することで、全ての燃料電池または一部の燃料電池の発電性能を維持もしくは向上できる。この他、カソード電位の負電位化を行えば良いことから簡便である等の既述した利点がある。
【００１１】
（６）本発明のまた別の形態によれば、車両が提供される。この車両は、上記したいずれかの燃料電池と、該燃料電池の発電電力にて駆動し、その駆動力にて車両走行を図るモーターとを備える。上記形態の車両では、その搭載した燃料電池の発電性能を、既述した触媒被毒物質の除去を通して維持もしくは向上できるので、走行性能の低下を抑制できる。また、カソード電位の負電位化を、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れた場合に行えばよいので、車両走行への影響を低減できる。
【００１２】
（７）本発明の他の形態によれば、車両が提供される。この車両は、上記した燃料電池システムと、該燃料電池システムに含まれる燃料電池の発電電力にて駆動し、その駆動力にて車両走行を図るモーターとを備える。上記形態の車両では、その搭載した全ての或いは一部の燃料電池の発電性能を、既述した触媒被毒物質の除去を通して維持もしくは向上できるので、走行性能の低下を抑制できる。また、カソード電位の負電位化を、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が現れた場合に行えばよいので、車両走行への影響を低減できる。
【００１３】
（８）上記したいずれかの形態の車両において、前記電位制御部は、車両走行中に前記モーターで得られる回生電力にて、前記カソードの電位を前記負電位に制御するようにできる。こうすれば、カソード電位の負電位化を図るための電力機器を用意する必要がないので、構成の簡略化、コスト低減、省エネ化を図ることができる。また、回生電力は、燃料電池の発電運転とは無関係に車両走行から得られるので、燃料電池の発電運転や車両走行への支障を低減できる。
【００１４】
（９）上記したいずれかの形態の車両において、前記電位制御部は、搭載済みの前記２次電池を車両から取り外す際に、該２次電池を用いて、前記カソードの電位を前記負電位に制御するようにできる。２次電池の取り外しは、燃料電池の発電運転の停止、並びに車両の停止状況で通常なされるので、上記形態の車両によれば、燃料電池の発電運転や車両走行に支障を全く来たさない。
【００１５】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の運転方法や、燃料電池をスタック状に複数積層して備える燃料電池システムの運転方法、燃料電池を発電源とする定置式の発電システム等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１００の概略構成をその構成単位である電池セルユニット３４０の構成と併せて示す説明図である。
【図３】制御装置２００による燃料電池スタック１００の発電制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】負電位化処理の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】カソード１０３の負電位化の様子を模式的に示す説明図である。
【図６】燃料電池スタック１００の発電運転状況下とカソードの負電位処理状況下におけるアノード・カソードでの反応進行の様子を模式的に示す説明図である。
【図７】カソード電位を対面するアノード電極を基準にして−１．０Ｖ〜＋１．０の範囲の種々の電位とした場合の出力回復の様子を示すグラフである。
【図８】図７の回復度合いグラフを得るための規格化の概要を示す説明図である。
【図９】図７の横軸の各電位にカソード電位を維持して回復度合いを求める様子を概略的に示す説明図である。
【図１０】他の実施形態の燃料電池スタック１００Ａの概略構成を説明するためのブロック図である。
【図１１】燃料電池スタック１００Ａの概略構成を断面視して示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。
【００１８】
図示するように、この燃料電池搭載車両２０は、車体２２に、燃料電池システム３０を搭載する。この燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モーター駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、ラジエータ１５０およびファン１５２を含む冷却系１６０と、２次電池１７２と、電流制御ユニット１７４とを備える。燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００の発電電力、或いは２次電池１７２の充電電力を、前輪駆動用のモーター１７０を始めとする負荷に供給する。
【００１９】
燃料電池スタック１００は、後述の電池セルユニット３４０を複数積層して構成されたスタック構造とされ、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に搭載される。電池セルユニット３４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。燃料電池スタック１００は、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を各電池セルユニット３４０にて起こして発電し、その発電電力にてモーター１７０等の負荷を駆動する。燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００と接続されたセルモニター１０６と短絡抵抗ユニット１０７とを備える。セルモニター１０６は、燃料電池スタック１００に含まれるそれぞれの電池セルユニット３４０の発電状態、例えば電池セルごとの発電電圧や電流、後述の電解質膜１０１の湿潤状態等を計測し、その計測結果を後述の制御装置２００に出力する。この場合、電解質膜１０１の湿潤状態については、湿度センサー等にて計測してもよい。短絡抵抗ユニット１０７は、抵抗を内蔵し、制御装置２００の制御受けて、電池セルユニット３４０の各セルのアノード１０２とカソード１０３とを短絡する。なお、燃料電池スタック１００およびこれを構成する電池セルユニット３４０の構成については、後述する。
【００２０】
水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池スタック１００に到る水素供給経路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給経路１２１に循環させる循環経路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための放出経路１２３を備える。そして、この水素ガス供給系１２０は、水素供給経路１２１の開閉バルブ１２４の経路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、水素ガスタンク１１０の水素ガスを燃料電池スタック１００（詳しくは、各電池セルユニット３４０のアノード１０２）に供給する。この際、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６にて調整した流量と、循環経路１２２の循環ポンプ１２７にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池スタック１００のアノードに供給する。水素ガス供給量は、アクセル１８０の操作に基づいて、後述の制御装置２００にて定められ、燃料電池スタック１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、水素ガス供給系１２０は、循環経路１２２から分岐した放出経路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。
【００２１】
空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池スタック１００に到る酸素供給経路１４１と、未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出経路１４２とを備える。そして、この空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０にて流量調整した上で燃料電池スタック１００（詳しくは、各電池セルユニット３４０のカソード１０３）に、通常は酸素供給経路１４１を経て供給しつつ、放出経路１４２の排出流量調整バルブ１４３で調整された流量でカソードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。このように空気供給系１４０にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の排出流量調整バルブ１４３を所定開度にした上で、コンプレッサ１３０にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル１８０の操作に基づいて制御装置２００にて定められ、燃料電池スタック１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、排出流量調整バルブ１４３は、流量調整を経て、カソード側の背圧についてもこれを調整する。
【００２２】
また、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１と放出経路１４２とを、加湿装置１４５を経由するように備える。この加湿装置１４５は、燃料電池スタック１００からのカソードオフガスに含まれる水分を用いて酸素供給経路１４１の空気を加湿する。例えば、装置内部にガス供給流路とガス排出流路とを備え、この二つの流路間に加湿膜を配置した上で、ガス排出流路を通過するカソードオフガスの水分を流路間の加湿膜を介してガス供給流路のガス（空気）に移動させて、当該ガスを加湿する。
【００２３】
冷却系１６０は、ラジエータ１５０から燃料電池スタック１００への冷却媒体の循環を図る循環経路１６１と、バイパス経路１６２と、経路合流点の三方流量調整弁１６３と、循環ポンプ１６４と、温度センサー１６６を備える。そして、この冷却系１６０は、ラジエータ１５０にて熱交換した冷却媒体を循環経路１６１を経て燃料電池スタック１００の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池スタック１００を所定温度に冷却する。この場合、循環ポンプ１６４の駆動量、即ち冷却媒体の循環供給量や、三方流量調整弁１６３による調整流量は、温度センサー１６６の検出温度たる燃料電池温度（セル温度）やセルモニター１０６の検出した発電状態に基づいて、制御装置２００にて定められる。
【００２４】
２次電池１７２は、電流制御ユニット１７４を介して燃料電池スタック１００に接続されており、燃料電池スタック１００とは別の電力源として機能し、モーター１７０等に供給する電力源として燃料電池スタック１００と併用される。本実施形態では、燃料電池スタック１００をアクセル１８０の踏込に応じた発電状態下で運転制御（通常制御）することを前提とするので、燃料電池スタック１００の運転停止状態において、２次電池１７２は、その充電電力をモーター１７０に供給する。２次電池１７２としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１７２には、容量検出センサー１７６が接続され、当該センサーは、２次電池１７２の充電状態を検出し、その検出充電量（電池容量）を制御装置２００に出力する。
【００２５】
電流制御ユニット１７４は、直流電圧をコンバートした上で、２次電池１７２の充・放電を制御する充放電制御機能とを有しており、制御装置２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充・放電を制御する。この他、電流制御ユニット１７４は、燃料電池スタック１００の発電電力および２次電池１７２の蓄電電力の引出とモーター１７０への電圧印加、並びに、後述するような電池セルユニット３４０への２次電池１７２の電圧印加等を、制御装置２００の制御下で行い、電力引出状態とモーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００２６】
制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル１８０等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両２０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力を求め、その要求電力が燃料電池スタック１００の発電で得られるよう、或いは、２次電池１７２の充電電力、もしくはこの両者で賄うよう、燃料電池スタック１００を発電制御して当該スタックからの発電電力の出力を制御しつつ、モーター１７０に電力を供給する。モーター１７０の要求電力を燃料電池スタック１００の発電で得る場合には、その要求電力に見合うよう水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給量を制御（通常制御）する。また、制御装置２００は、モーター１７０への要求電力に応じて、電流制御ユニット１７４を制御する。なお、電流制御ユニット１７４を介した電池セルユニット３４０への２次電池１７２の電圧印加の様子については、後述する。
【００２７】
この他、制御装置２００は、車速センサー１８２の検出した車速や、外気温センサー１８４の検出した外気温、水素ガス供給系１２０において流量センサー１２８が検出した水素ガス流量、空気供給系１４０において流量センサー１４７の検出したエアー流量、容量検出センサー１７６が検出した２次電池１７２の電池容量（以下、ＳＯＣ）等を、上記した制御を行う上での制御パラメータとして入力する。この制御装置２００は、後述するカソード電位の負電位化制御などを担う。
【００２８】
次に、燃料電池スタック１００の構成について説明する。図２は燃料電池スタック１００の概略構成をその構成単位である電池セルユニット３４０の構成と併せて示す説明図である。
【００２９】
燃料電池スタック１００は、電池セルユニット３４０の各コーナ周辺に締結シャフト１００ｓを配置して備える。締結シャフト１００ｓは、そのシャフト端においてボルトにてエンドプレート３１０ａに当接して固定されることで、上記した電池セルユニット３４０のそれぞれをスタック構造として一対のエンドプレート３１０ａの間において締結する。
【００３０】
燃料電池スタック１００は、電池セルユニット３４０を挟持するに当たり、エンドプレート３１０ａの側にそれぞれ絶縁板３２０ａと前端側ターミナルプレート３３１と後端側ターミナルプレート３３２とを介在させる。エンドプレート３１０ａは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板３２０ａは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。前端側ターミナルプレート３３１と後端側ターミナルプレート３３２は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性のプレート材によって形成される。
【００３１】
前端側のエンドプレート３１０ａと絶縁板３２０ａおよび前端側ターミナルプレート３３１は、それぞれの電池セルユニット３４０に対応した空気供給口３１２ＩＮ、空気排気口３１２ＯＵＴ、水素供給口３１４ＩＮ、水素排気口３１４ＯＵＴ、冷却水供給口３１６ＩＮおよび冷却水排出口３１６ＯＵＴを備える。その一方、後端側のエンドプレート３１０ａと絶縁板３２０ａおよび後端側ターミナルプレート３３２は、これら給排口を備えない。これは、空気および水素を前端側のエンドプレート３１０ａからそれぞれの電池セルユニット３４０に供給しつつ、その余剰分とアノードオフガスおよびカソードオフガスを後端側ターミナルプレート３３２に接合した電池セルユニット３４０にて（詳しくは当該セルのセパレーターにて）折り返して前端側のエンドプレート３１０ａに戻すタイプの燃料電池であることによる。つまり、燃料電池スタック１００は、電池セルユニット３４０のスタック構造の端部の側、具体的には前端側のエンドプレート３１０ａにおいて、それぞれの電池セルユニット３４０へのガスの給排を行う。電池セルユニット３４０におけるガス給排については、後述する。冷却水についても、前端側のエンドプレート３１０ａからそれぞれの電池セルユニット３４０に供給されて折り返され、前端側のエンドプレート３１０ａに戻る。
【００３２】
前端側ターミナルプレート３３１と後端側ターミナルプレート３３２の両ターミナルプレートは、空気供給口３１２ＩＮ等の開口を有する点で相違するものの、共に、燃料電池スタック１００の前端側の電池セルユニット３４０或いは後端側の電池セルユニット３４０に接合して用いられ、燃料電池スタック１００の発電電力を外部に出力する。そして、上記の両ターミナルプレートは、前端上部端子３３３ｆと後端上部端子３３３ｂとを備え、これら端子から既述した電流制御ユニット１７４を経てモーター１７０に発電電力を出力する。
【００３３】
燃料電池スタック１００を構成するそれぞれの電池セルユニット３４０は、電池セル３５０を対向するセパレーター３４１で挟持する。電池セル３５０は、電解質膜１０１の両側にアノード１０２とカソード１０３の両電極を備える。このアノード１０２とカソード１０３は、電解質膜１０１の両膜面に接合され電解質膜１０１と共に膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する。この他、電池セル３５０は、上記のＭＥＡを両側から挟持するアノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とを備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。
【００３４】
電解質膜１０１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード１０２およびカソード１０３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。本実施形態では、図２に示すように、電池セルユニット３４０は、その有する上記構成の電池セル３５０をシール部材４１０にて取り囲んで一体化させたシール部材一体型ＭＥＡとして備え、このシール部材一体型ＭＥＡをセパレーター３４１で挟持する。シール部材４１０は、電池セル３５０を支持するための部材であり、シリコーンゴムを用いて射出成形により形成されている。
【００３５】
セパレーター３４１は、この電池セル３５０ごとに反応ガス（水素ガスを含有する燃料ガス又は酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路を形成する部材であって、水素透過性が低く導電性の良好な材料で形成される。例えば、樹脂に導電材料を混入して成形したプレート状の導電性複合材や金属鋼板などがセパレーター３４１の形成に用いられる。セパレーター３４１は、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の貫通孔を備えている。これら貫通孔は、電池セルユニット３４０をスタック構造に複数積層させた場合に、互いに重なり合って、電池セルユニット３４０の積層方向に沿って燃料電池内部を貫通するガス流路と冷媒流路を形成する。電池セルユニット３４０が図２に示すように上下に有する貫通孔は、セル内エアー流路３４２の両端に位置して、それぞれエンドプレート３１０ａの空気供給口３１２ＩＮと空気排気口３１２ＯＵＴに接合し、ガス給排マニホールドとして機能する。以下、図２に示す上側の貫通孔をエアー供給流路３４４と称し、下側の貫通孔をエアー排出流路３４５と称する。電池セルユニット３４０は、図２における紙面奥側及び手前側に図示しない貫通孔を２対備え、一対の貫通孔にあっては、セル内水素ガス流路３４３の両端に位置して、それぞれエンドプレート３１０ａの水素供給口３１４ＩＮと水素排気口３１４ＯＵＴに接合し、ガス給排マニホールドとして機能する。図示しない他の対の貫通孔にあっては、図示しないセル内冷却流路の両端に位置して、それぞれエンドプレート３１０ａの冷却水供給口３１６ＩＮと冷却水排出口３１６ＯＵＴに接合し、冷却水給排マニホールドとして機能する。
【００３６】
セパレーター３４１は、上記した各マニホールドを介したガス給排を電池セルごとに行うべく、その表裏面に、セル内エアー流路３４２とセル内水素ガス流路３４３とを備える。本実施形態では、この両流路は、セル面内（電極面内）において直交配列された流路とされ、セル内エアー流路３４２は図において上下に延びる多列の直線状流路とされ、流路上下流側でエアー供給流路３４４とエアー排出流路３４５に接続している。よって、電池セル３５０は、空気供給口３１２ＩＮを経て供給された空気を、エアー供給流路３４４からセル内エアー流路３４２に流入させ、当該流路軌跡に沿ってカソード１０３に空気を供給する。余剰の空気は、エアー排出流路３４５を経て空気排気口３１２ＯＵＴから排出される。水素についても同様である。
【００３７】
次に、上記した構成を有する燃料電池搭載車両２０の制御装置２００が行う燃料電池スタック１００の発電制御について説明する。図３は制御装置２００による燃料電池スタック１００の発電制御の制御手順を示すフローチャートである。制御装置２００は、燃料電池システム３０が起動すると、ドライバーからの燃料電池搭載車両２０に対する駆動要求に基づいて燃料電池スタック１００を発ガス電制御する通常運転の実行を開始する（ステップＳ１００）。燃料電池搭載車両２０に対するドライバーからの駆動要求は、ドライバーによるアクセル１８０の踏込操作量やその踏込速度等から要求電力として得ることができ、制御装置２００は、当該要求電力を燃料電池スタック１００から得られるよう、既述したようにガス供給制御を行う。
【００３８】
制御装置２００は、通常運転の実行中に、所定の周期で、燃料電池スタック１００に含まれる電池セルユニット３４０のカソードの触媒被毒を是正すべき事象の有無を判定する（ステップＳ１１０）。本実施形態では、このカソードの触媒被毒を是正すべき事象を、燃料電池搭載車両２０の走行状態からの観点と、後述する負電位化処理による性能回復の必要性との観点から判定した。つまり、燃料電池搭載車両２０が所定の車速以上で走行していれば、負電位化処理による性能回復に優先して車両走行性を維持すべく、カソードの触媒被毒を是正すべき事象が起きていないとする。そして、燃料電池搭載車両２０が停止して燃料電池スタック１００はアイドル運転されている、或いは燃料電池搭載車両２０が低速で継続走行していれば、次のようにしてカソードの触媒被毒を是正すべき事象の有無を判定する。例えば、後述する負電位化処理（ステップＳ１２０）が前回なされてからの燃料電池搭載車両２０の走行距離や走行期間が所定の閾値を超えている状態や、現在の燃料電池スタック１００の出力が前回の負電位化処理（ステップＳ１２０）にて復旧した出力に比べて所定の閾値を超えて低下している状態などであると、制御装置２００は、カソード１０３の触媒被毒を是正すべき事象が起きている、もしくは起きると判定する。そして、制御装置２００は、このステップＳ１１０でカソード１０３の触媒被毒を是正すべき事象が起きていないと判定すれば、通常運転の制御（ステップＳ１００）を再開する。
【００３９】
一般に、燃料電池スタック１００では、発電運転が継続されると、その有する各電池セルユニット３４０におけるカソード１０３において、アイオノマーにて被覆済みの触媒の表面が触媒被毒物質で覆われて触媒性能が低下することが起き得る。このように触媒性能が低下すると、電池セル３５０や電池セルユニット３４０、延いては燃料電池スタック１００の発電性能の低下が危惧される。よって、カソード１０３の触媒被毒を是正すべき事象が起きている、もしくは起きると判定すると、カソード１０３の電位を、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位に制御する負電位化処理を実行する（ステップＳ１２０）。図４は負電位化処理の処理内容を示すフローチャートである。
【００４０】
制御装置２００は、負電位化処理を行うに当たり、セルモニター１０６の出力を読み込み（ステップＳ１２２）、電解質膜１０１の湿潤状態が高湿潤であるか否かを判定する（ステップＳ１２４）。つまり、セルモニター１０６の出力から得られた現状の電解質膜１０１の湿潤状態（現状湿潤状態）が、燃料電池スタック１００の電池セルユニット３４０が出力の低下を来すことなく通常運転している際の電解質膜１０１の定常の湿潤状態より高い高湿潤状態であるか否かを判定する。なお、図３のステップＳ１１０にてセルモニター１０６の出力を読込済みであれば、ステップＳ１２２は省略できる。
【００４１】
制御装置２００は、ステップＳ１２４で高湿潤状態ではないと否定判定すると、以下の処理を行うことなくリターンを抜け、通常運転を継続する（図３：ステップＳ１００）。その一方、ステップＳ１２４で高湿潤状態にあると肯定判定すると、制御装置２００は、セルモニター１０６の出力に基づいて、対面するアノード電極を基準にしたカソード１０３の電位を算出する（ステップＳ１２６）。対面するアノード電極は、本実施形態のカソード１０３が入っている溶液のｐＨと同じｐＨの電解質溶液を用いた水素電極であり、制御装置２００は、カソード１０３についてセルモニター１０６の出力から得られたセル電圧をセル内部抵抗で補正した電圧を、対面するアノード電極を基準にしたカソード１０３の電位（ｖｓ  ＲＨＥ）として算出し、これにより、カソード１０３の負電位化に要する電力が判明する。
【００４２】
制御装置２００は、電位算出に続き、カソード１０３の負電位化を実行する（ステップＳ２００）。図５はカソード１０３の負電位化の様子を模式的に示す説明図である。制御装置２００は、負電位化に際して、電流制御ユニット１７４に逆電位電圧の印加制御信号を出力する。電流制御ユニット１７４は、この制御信号を受けて、それまでの発電電力取り出しのために正極として接続していた前端上部端子３３３ｆが負極側となり、それまでの発電電力取り出しのために負極として接続していた後端上部端子３３３ｂが正極側となるように、燃料電池スタック１００の各電池セルユニット３４０に２次電池１７２の電圧を印加する。この際、制御装置２００は、ステップＳ１２６で得られた対面するアノード電極基準のカソード１０３の電位を、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位とするに足りる電圧を印加する制御信号を電流制御ユニット１７４に合わせて出力する。これにより、燃料電池スタック１００の各電池セルユニット３４０では、その有するカソード１０３が対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位となる。
【００４３】
こうした負電位化に続き、制御装置２００は、カソード１０３の負電位化を解除するか否かを判定する（ステップＳ３００）。例えば、制御装置２００は、ステップＳ２００の負電位化を開始してからの経過時間が予め定めた回復維持期間に達したか否かを判定し、肯定判定すれば負電位化を解除した後に（ステップＳ３０２）、リターンを抜け、通常運転を継続する（図３：ステップＳ１００）。この回復維持期間は、触媒活性の回復が見込めると想定される時間であり、例えば、６０〜１０００秒、好ましくは１５０〜５００秒の範囲で設定可能である。また、これら範囲で設定した期間に固定するほか、次のようにしてもよい。例えば、触媒被毒により低下した出力低下程度や、電解質膜１０１の湿潤状態等に対応付けて回復維持期間をマップ化し、当該マップを予め制御装置２００の不揮発記憶領域に予め記憶しておく。そして、カソードの負電位化実行の際の出力低下程度や湿潤状態から、回復維持期間をその都度に定めるようにしてもよい。
【００４４】
その一方、上記の経過時間が予め定めた期間に達していないと否定判定すると、肯定判定するまで負電位化を継続した後に（ステップＳ３０４）、リターンを抜け、通常運転を継続する（図３：ステップＳ１００）。この場合、ステップＳ３０４での負電位化継続の際、制御装置２００は、図３のステップＳ１１０にてカソード１０３の触媒被毒を是正すべき事象が起きていると判定したときの燃料電池スタック１００の運転状況、即ちアイドル運転或いは低速走行時のガス供給を行う。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００の所定以上の出力低下等のカソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が起きていると（ステップＳ１１０）、燃料電池スタック１００を構成するそれぞれの電池セルユニット３４０におけるカソード１０３の電位を、対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位とする（ステップＳ１２０；ステップＳ１２２〜Ｓ２００）。図６は燃料電池スタック１００の発電運転状況下とカソードの負電位処理状況下におけるアノード・カソードでの反応進行の様子を模式的に示す説明図である。カソード１０３の電位が対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位となると、図示するように、カソード１０３には、アノード１０２から電解質膜１０１を経てプロトン（Ｈ+）が到達すると共に、電子（ｅ-）も流れ込む。よって、プロトンと電子の反応に伴いカソード１０３では水素が生成されると共に、流れ込んだ電子による触媒被毒物質のラジカル化が起き得る。この場合、流れ込んだ電子によりヒドロキシラジカルが生成され得るが、カソード電位の負電位化は既述したように予め定めた回復維持期間の間でしか継続されないので（ステップＳ３０４）、電解質膜１０１は、ヒドロキシラジカルにより特段の損傷を受けることはない。
【００４６】
図７はカソード電位を対面するアノード電極を基準にして−１．０Ｖ〜＋１．０の範囲の種々の電位とした場合の出力回復の様子を示すグラフである。以下、対面するアノード電極を基準にした電位を、ｖｓ  ＲＨＥと表す。図７は、横軸を対面するアノード電極を基準にしたカソード電位Ｃｅとし、縦軸を、図４のステップＳ２００の負電位化処理を予め定めた３００秒という回復維持期間に亘って行った場合の出力回復度合いとし、この回復度合いの最大値が１となるように、つまり元の出力と一致するまで回復した場合の回復度合いを１として規格化した。そして、横軸の各カソード電位と、負電位化処理による出力回復度合いをプロットした。図８は図７の回復度合いグラフを得るための規格化の概要を示す説明図、図９は図７の横軸の各電位にカソード電位を維持して回復度合いを求める様子を概略的に示す説明図である。
【００４７】
まず、燃料電池スタック１００或いはこれに含まれる一つの電池セルユニット３４０を、そのカソード１０３の電位が所定電圧Ｖ０（＝０．２Ｖ  ｖｓ  ＲＨＥ）に維持されるようにして停止状態から発電運転を継続する。この発電運転により、その出力、具体的には出力電流は、図８に示すように上昇推移し、所定電圧Ｖ０に対応した電流ｉ（＝ｉ＠ｔ０）となる。発電運転の際のガス供給および後述の各運転状況でのガス供給は、アイドル状況を想定してなされる。この発電運転が所定の慣らし時間ｔ０が経過した際の電流ｉ（＝ｉ＠ｔ０）と所定電圧Ｖ０で得られる電力（Ｖ０  ｘ  ｉ＠ｔ０）は、触媒被毒物質除去のためのカソード負電位化によって復旧した出力の規格化に用いられ、復旧出力を上記電力（Ｖ０  ｘ  ｉ＠ｔ０）で除算した値が図７の縦軸となる。
【００４８】
次に、電池セルユニット３４０を触媒の被毒化が起き得る疑似被毒化状況にて運転する。この疑似被毒化運転は、通常の発電運転の際より高い電圧とした上で、電解質膜１０１の湿潤が低い状況での運転であり、この疑似被毒化運転時には、図９（Ａ）に示すように、出力は低下する。この出力低下は、カソード１０３で触媒被毒が起きたことによると想定される。その後、出力低下を来した電池セルユニット３４０を、そのカソード１０３の電位が対面するアノード電極に対して図７の横軸の各電位（−１．０Ｖ〜＋１．０Ｖ）となるようにして、被毒除去処理運転に処する。各電位での被毒除去処理により、図９（Ｂ）に示すように、出力は回復する。こうして出力回復を来した電池セルユニット３４０を、被毒除去程度の測定のための運転に処する。この運転では、出力低下をもたらすカソード電位条件、具体的には規格化電圧Ｖｂ（＝０．８Ｖ  ｖｓ  ＲＨＥ）として電池セルユニット３４０を運転する。この被毒除去程度測定運転により、電池セルユニット３４０の出力は、図９（Ｃ）に示すように低減推移し、その出力低減程度、具体的には所定の保持時間ｔ１の時点での電流ｉｉ（＝ｉ＠ｔ１）は、被毒除去処理運転に処した際のカソード電位（被毒除去処理電圧Ｖｒ）によって相違する。これは、図７の横軸の各電位（−１．０Ｖ〜＋１．０Ｖ）での被毒除去処理により出力は回復するものの、その回復程度は、各電位（被毒除去処理電圧Ｖｒ）で相違するからである。よって、図９（Ｃ）で得られた電力（Ｖｂ  ｘ  被毒除去処理電圧Ｖｒごとの電流ｉ＠ｔ１）を、図８で求めた上記の規格化電力（Ｖ０  ｘ  ｉ＠ｔ０）で除算してプロットし、図７の結果を得た。
【００４９】
上記のようにして得た図７から明らかなように、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が起きた際にカソード１０３の電位を対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位とする本実施形態の燃料電池システム３０によれば、高い出力回復度合いで出力を回復できる。こうした出力回復は、図６で説明したように、カソード１０３では、到達したプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ-）の反応に伴う水素生成と、電子による触媒被毒物質のラジカル化とにより、カソード１０３の触媒表面の触媒被毒物質が分解除去されて触媒活性が元の状態に戻ったためであると想定できる。特に、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が起きた際にカソード１０３の電位を対面するアノード電極を基準にして−０．１５〜−０．４Ｖの範囲の負電位とすれば、出力回復度合いがほぼ元の出力まで復旧するように高まり、好ましい。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システム３０では、上記したような出力回復を、カソード１０３の負電位化を行えば済むことから、簡便であり、カソード１０３の負電位化により、容易に燃料電池スタック１００の出力回復を図ることができる。加えて、カソード１０３の負電位化を対面するアノード電極に対して０Ｖから−０．６Ｖという範囲とすればよいので、簡便であると共に、負電位化に伴う燃料電池スタック１００の運転への影響も抑制できる。そして、０Ｖから−０．６Ｖという範囲でのカソード電極の負電位化で、カソード１０３での既述した水素生成とラジカル化による触媒被毒物質の分解除去の実効性を簡便に確保できる。
【００５１】
本実施形態の燃料電池システム３０では、カソード１０３の負電位化を、対面するアノード電極に対して最低でも−０．６Ｖ（ｖｓ  ＲＨＥ）以上とするので、カソード１０３における水（生成水）とカーボンとの反応が起きないようにして、カソード１０３に含まれる触媒担持カーボンの低減を抑制できる。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システム３０では、触媒被毒物質除去を通した出力回復のためのカソード１０３の負電位化を、アイドル運転等の車両運転状況下であった上で、既述した触媒被毒是に起因した被毒起因事象が起きた際にしか行わない。よって、本実施形態の燃料電池システム３０によれば、電池セルユニット３４０の発電運転の最中、即ち燃料電池搭載車両２０の走行状況下での負電位化処理の実行頻度を少なくして、燃料電池スタック１００の発電運転、延いては燃料電池搭載車両２０の走行性への影響を低減できる。
【００５３】
本実施形態の燃料電池システム３０では、触媒被毒物質除去を通した出力回復のためのカソード１０３の負電位化を、電解質膜１０１が高湿潤の湿潤状態にあると実行するようにした（ステップＳ１２４）。電解質膜１０１が高湿潤であると、電解質膜１０１を含む電池セル３５０の内部抵抗が大きくならないので、ステップＳ１２６での算出カソード電位を、小さな電力で対面するアノード電極を基準にして０〜−０．６Ｖの範囲の負電位とでき、省電力化を図ることができる。これに加え、高湿潤の電解質膜１０１の膜面に接合したカソード１０３にあっても電極触媒層の細孔が水により塞がれ、酸化ガスが触媒表面まで到達できなくなることから、カソード電位の速やかな負電位化、延いては負電位化による出力回復を速やかに図ることができる。
【００５４】
本実施形態の燃料電池システム３０では、触媒被毒物質除去を通した出力回復のためのカソード１０３の負電位化を、図５に示すように２次電池１７２の放電電力で実行する。よって、本実施形態の燃料電池システム３０によれば、カソード電位の負電位化に特化した電源が不要なために、構成の簡略化を図ることができるほか、２次電池１７２により、カソード電位の負電位化をより確実、且つ簡便に実行できる。
【００５５】
本実施形態の燃料電池システム３０を搭載した燃料電池搭載車両２０では、その搭載した燃料電池スタック１００のそれぞれの電池セルユニット３４０の発電性能を、既述したカソード１０３の負電位化により触媒被毒物質の除去を通して維持もしくは向上できる。よって、本実施形態の燃料電池システム３０を搭載した燃料電池搭載車両２０によれば、燃料電池スタック１００の出力低下に伴う走行性能の低下を抑制できる。また、本実施形態の燃料電池システム３０を搭載した燃料電池搭載車両２０では、カソード電位の負電位化を既述した触媒被毒に起因した被毒起因事象が起きた場合に行えばよいので、走行性を損なわないようにでき、ドライバビリティーを維持できる。
【００５６】
次に、他の実施形態について説明する。この実施形態は、燃料電池スタック１００に装着した短絡抵抗ユニット１０７を用いる点に特徴がある。つまり、図４のステップＳ１２６でのカソード電位の算出に代え、短絡抵抗ユニット１０７により、カソード１０３の短絡化を行う。こうすれば、カソード１０３の電位はゼロとなるので、ステップＳ２００では、カソード１０３の電位を０〜−０．６Ｖ（  ｖｓ  ＲＨＥ）とする際の電圧印加が簡便となる。
【００５７】
この他の実施形態としては、短絡抵抗ユニット１０７によるカソード短絡と、アノード１０２とカソード１０３へのガス供給制御とを併用する実施形態を例示できる。この実施形態では、ステップＳ１２４での肯定判定に続き、制御装置２００は、コンプレッサ１３０を駆動制御して、カソード１０３への空気供給を停止する。或いは、酸素供給経路１４１に設けた遮蔽弁にて、カソード１０３への空気供給を停止する。その上で、水素ガスタンク１１０からのアノード１０２への水素ガス供給は継続する。こうすると、電池セル３５０では、酸素不足のままアノード１０２における水素供給が続くので、カソード１０３では、供給済み酸素が消費され、水素と酸素の電気化学反応における酸素当量以上の水素がアノード１０２に残存することになる。制御装置２００は、こうしたガス状況となった後に、短絡抵抗ユニット１０７にてカソード１０３を短絡し、セルモニター１０６の出力からセル電圧が所定の低電圧、例えば０．２Ｖ以下まで低下したかを判定する。セル電圧がこのような低電圧となれば、カソード１０３では酸素はほぼ残存しないと言えるので、制御装置２００は、２次電池１７２により既述したようにカソード１０３の負電位化を実行する。このようにカソード短絡とガス供給制御とを併用した実施形態の燃料電池システム３０であっても、カソード１０３の電位を、簡便に且つ省電力で、０〜−０．６Ｖ（  ｖｓ  ＲＨＥ）の範囲の負電位にできる。また、アノード１０２から電解質膜１０１を経てカソード１０３に到達したプロトン（Ｈ+）がカソード１０３の酸素と反応する機会が低減もしくは皆無となるので、カソード１０３での水素生成が起きることになり、触媒表面の触媒被毒物質の分解除去の実効性を確保できる。
【００５８】
また別の実施形態としては、燃料電池搭載車両２０の駆動力として用いるモーター１７０で得られる回生電力を利用する実施形態を例示できる。この実施形態の燃料電池搭載車両２０では、図３のステップＳ１００にてカソードの触媒被毒を是正すべき事象の有無を判定するに際のアイドル運転或いは低速走行かという走行状態からの判定に代え、モーター１７０に回生電力が生じているかの判定を行う。例えば、車体２２に車体傾斜を検出する傾斜センサーを設け、当該センサー出力から下り坂走行中か否かを判定したり、車両運転者のフットブレーキ操作の有無、シフトレバー操作やアクセル操作に基づくエンジンブレーキ使用の有無を判定する。こうした判定により、モーター１７０に回生電力が生じていると、制御装置２００は、出力低下程度等に基づいて、カソード１０３の触媒被毒を是正すべき事象が起きている、もしくは起きるとの判定を下す。そして、触媒被毒に起因した被毒起因事象が起きていれば、制御装置２００は、図４のステップＳ２００におけるカソード１０３の負電位化を、モーター１７０に生じた回生電力にて実行する。
【００５９】
この実施形態の燃料電池搭載車両２０によれば、カソード電位の負電位化を図るために２次電池１７２を用いないようにしたり、負電位化に特化した電力機器を必要としないので、構成の簡略化、コスト低減、省エネ化を図ることができる。また、回生電力は、燃料電池スタック１００の発電運転とは無関係に車両走行から得られるので、燃料電池スタック１００の発電運転や車両走行への支障を低減できる。この他、モーター１７０の回生電力は、２次電池１７２が満充電であると、当該電池の蓄電には用いることができないが、上記の実施形態の燃料電池搭載車両２０によれば、２次電池１７２の蓄電には用いることができない回生電力を有効利用して、カソード電位の負電位化を通した出力回復を図ることができる。
【００６０】
図１０は他の実施形態の燃料電池スタック１００Ａの概略構成を説明するためのブロック図、図１１は燃料電池スタック１００Ａの概略構成を断面視して示す説明図である。この燃料電池スタック１００Ａは、その有する電池セルユニットをグループ分けし、グループごとにカソードの負電位化を実行してグループ単位で性能回復を図る点に特徴がある。
【００６１】
図１０に示すように、燃料電池スタック１００Ａは、前端側ターミナルプレート３３１の側で並んだ複数の電池セルユニット３４０Ｆを前端側セルグループ３４０ＦＧとし、エンドプレート３１０ａの側から並んで前端側セルグループ３４０ＦＧに続く複数の電池セルユニット３４０Ｒを後端側セルグループ３４０ＲＧとする。本実施形態では、両セルグループをほぼ同数のセルユニットを含むようにした。前端側セルグループ３４０ＦＧに含まれる電池セルユニット３４０Ｆは、図１１に示すように、パイパス流路４０２Ｆを備え、後端側セルグループ３４０ＲＧに含まれる電池セルユニット３４０Ｒは、パイパス流路４０２Ｒを、電池セル３５０の支持部材であるシール部材４１０に備える。パイパス流路４０２Ｆは、前端側セルグループ３４０ＦＧに含まれて前端側ターミナルプレート３３１（図１０参照）から最も離れた電池セルユニット３４０Ｆにおいて、エアー供給流路３４４から分岐し、前端側ターミナルプレート３３１に到る。このパイパス流路４０２Ｆは、前端側セルグループ３４０ＦＧに属する電池セルユニット３４０Ｆのエアー供給流路３４４を流れようとするガス（エアー）をスタック外に持ち去ることで、前端側セルグループ３４０ＦＧに属する電池セルユニット３４０Ｆのガス供給量を低減させる。パイパス流路４０２Ｒは、後端側セルグループ３４０ＲＧに含まれて後端側ターミナルプレート３３２（図１０参照）から最も離れた電池セルユニット３４０Ｒにおいて、エアー供給流路３４４から分岐し、後端側ターミナルプレート３３２に到る。このパイパス流路４０２Ｒは、後端側セルグループ３４０ＲＧに属する電池セルユニット３４０Ｒのエアー供給流路３４４を流れようとするガス（エアー）をスタック外に持ち去ることで、後端側セルグループ３４０ＲＧに属する電池セルユニット３４０Ｒのガス供給量を低減させる。上記した両パイパス流路は、セパレーター３４１において、水素ガスおよび空気の流路と干渉しないよう、形成されている。
【００６２】
パイパス流路４０２Ｆとパイパス流路４０２Ｒには、それぞれ流量調整弁が配設され、パイパス流路４０２Ｆの流量調整弁４００Ｆは、制御装置２００の制御を受けて、パイパス流路４０２Ｆを経て排出されるエアーバイパス流量を調整する。これにより、燃料電池スタック１００Ａは、流量調整弁４００Ｆの開弁側への調整を経て、前端側セルグループ３４０ＦＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｆへのエアー供給量を低減調整する。こうした流量調整弁４００Ｆの調整がなされても、パイパス流路４０２Ｒの流量調整弁４００Ｒが閉弁制御されていれば、後端側セルグループ３４０ＲＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｒでは、調整以前とほぼ同じ供給量でエアーが供給される。また、燃料電池スタック１００Ａは、流量調整弁４００Ｒの開弁側への調整を経て、後端側セルグループ３４０ＲＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｒへのエアー供給量を低減調整する。こうした流量調整弁４００Ｒの調整がなされても、パイパス流路４０２Ｆの流量調整弁４００Ｆが閉弁制御されていれば、前端側セルグループ３４０ＦＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｆでは、調整以前とほぼ同じ供給量でエアーが供給される。この他、燃料電池スタック１００Ａは、流量調整弁４００Ｆと流量調整弁４００Ｒとが共に開弁側に制御されている状況下で、前端側セルグループ３４０ＦＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｆのみならず、後端側セルグループ３４０ＲＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｒについても、エアー供給量を低減調整する。
【００６３】
この実施形態の燃料電池スタック１００Ａでは、図３で説明した通常運転（ステップＳ１００）の間において、制御装置２００は、流量調整弁４００Ｆと流量調整弁４００Ｒとを閉弁制御した上で、既述したようにアクセル１８０の踏込操作量等から定まる要求電力が得られるよう、ガス供給制御を行う。これにより、前端側セルグループ３４０ＦＧおよび後端側セルグループ３４０ＲＧに属するそれぞれの電池セルユニットでは、要求電力に見合った発電運転がなされる。
【００６４】
その一方、図３で説明した負電位化処理（ステップＳ１２０）では、次のようにできる。まず第１に、前端側セルグループ３４０ＦＧおよび後端側セルグループ３４０ＲＧに属する全ての電池セルユニットについて、性能回復のための負電位化処理が必要であれば、制御装置２００は、流量調整弁４００Ｆと流量調整弁４００Ｒとを共に全開制御する。これにより、全ての電池セルユニットにおいて、既述したようにカソード１０３への空気供給が停止して、酸素不足のままアノード１０２における水素供給が続くことになり、その上で、これら全ての電池セルユニットのカソード１０３を負電位化処理に処すことができる。
【００６５】
この他、セルモニター１０６からの出力により、前端側セルグループ３４０ＦＧに属する電池セルユニット３４０Ｆについてのみ性能回復のための負電位化処理が必要であれば、制御装置２００は、流量調整弁４００Ｒを閉弁制御した上で、流量調整弁４００Ｆを全開制御して、前端側セルグループ３４０ＦＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｆについてのみ、カソード１０３への空気供給を停止して、酸素不足のままアノード１０２における水素供給を継続させる。その上で、前端側セルグループ３４０ＦＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｆについてのみ、カソード１０３を負電位化処理に処すことができる。また、セルモニター１０６からの出力により、後端側セルグループ３４０ＲＧに属する電池セルユニット３４０Ｒについてのみ性能回復のための負電位化処理が必要であれば、制御装置２００は、流量調整弁４００Ｆを閉弁制御した上で、流量調整弁４００Ｒを全開制御して、後端側セルグループ３４０ＲＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｒについてのみ、カソード１０３への空気供給を停止して、酸素不足のままアノード１０２における水素供給を継続させる。その上で、後端側セルグループ３４０ＲＧに属するそれぞれの電池セルユニット３４０Ｒについてのみ、カソード１０３を負電位化処理に処すことができる。この場合、前端側セルグループ３４０ＦＧと後端側セルグループ３４０ＲＧとでの個別の負電位化処理は、前端側セルグループ３４０ＦＧと後端側セルグループ３４０ＲＧの境界で隣り合う電池セルユニット３４０Ｆと電池セルユニット３４０Ｒとの間に境界部端子を設け、この境界部端子と前端上部端子３３３ｆ（図５参照）との間での負電位化電圧印加、境界部端子と後端上部端子３３３ｂとの間での負電位化電圧印加を行えばよい。
【００６６】
以上説明したようにこの実施形態の燃料電池スタック１００Ａを有する燃料電池システム３０では、当該スタックを構成する全ての電池セルユニット３４０について、或いは前端側セルグループ３４０ＦＧに属する電池セルユニット３４０Ｆについてだけ、もしくは後端側セルグループ３４０ＲＧに属する電池セルユニット３４０Ｒについてだけ、それぞれ、カソード電位の負電位化により触媒被毒物質を除去して発電性能の維持もしくは向上を図ることができる。この他、カソード電位の負電位化を行えば良いことから簡便である等の既述した効果を奏することができる。
【００６７】
本実施形態の燃料電池スタック１００Ａとこれを有する燃料電池システム３０とを搭載した燃料電池搭載車両２０では、燃料電池スタック１００Ａにより全ての電池セルユニット３４０の発電性能、前端側セルグループ３４０ＦＧに属する電池セルユニット３４０Ｆの発電性能、後端側セルグループ３４０ＲＧに属する電池セルユニット３４０Ｒの発電性能を、既述したカソード電位の負電位化による触媒被毒物質の除去を通して維持もしくは向上できるので、走行性能の低下を抑制でき、ドライバビリティーの維持もしくは向上をはかることができる。
【００６８】
この他の実施形態としては、燃料電池搭載車両２０の保守点検時にカソード電位の負電位化を実行する実施形態を例示できる。車両保守点検時は、通常、車両は停止状態にあるので、燃料電池スタック１００を停止もしくはアイドル運転した上で、保守点検等のために取り外す際の２次電池１７２の残蓄電電圧にて、カソード１０３の負電位化を実行する。この実施形態の燃料電池搭載車両２０によれば、燃料電池スタック１００の発電運転や車両走行に支障を全く来たすことなく、カソード１０３の負電位化を通して既述したように出力回復を図ることができる。
【００６９】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【００７０】
上記の実施形態では、電解質膜１０１が高湿潤状態にある時に、カソード１０３の負電位化処理を実行したが、これに限らない。つまり、カソードの触媒被毒に起因した被毒起因事象が起きていれば、電解質膜１０１の湿潤状態に拘わらず、カソード１０３の負電位化処理を実行してもよい。電解質膜１０１が低い湿潤状態であると、電池セルユニット３４０のセル内部抵抗が大きいために高い電力印加が必要となるが、２次電池１７２の蓄電電圧が、カソード１０３の電位を０〜−０．６Ｖ（ｖｓ  ＲＨＥ）の負電位化とするに足りれば、特段の支障は無い。
【００７１】
図１１に示した実施形態では、前端側セルグループ３４０ＦＧと後端側セルグループ３４０ＲＧとを、ほぼ同数の電池セルユニットが含まれるようにしたが、一方のセルグループに含まれるセルユニット数を増やしてもよい。また、３つ以上のセルグループに分けるようにしてもよい。
【００７２】
車両の保守点検の際にカソード負電位化を図る実施形態では、カソード１０３の負電位化に保守点検に伴って取り外す２次電池１７２を用いたが、これに限らない。例えば、保守点検作業場に付属のポテンショスタット等を用いて、カソード１０３の負電位化を図るようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
２０…燃料電池搭載車両
２２…車体
３０…燃料電池システム
１００、１００Ａ…燃料電池スタック
１００ｓ…締結シャフト
１０１…電解質膜
１０２…アノード
１０３…カソード
１０４…アノード側ガス拡散層
１０５…カソード側ガス拡散層
１０６…セルモニター
１０７…短絡抵抗ユニット
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給経路
１２２…循環経路
１２３…放出経路
１２４…開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…循環ポンプ
１２８…流量センサー
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…酸素供給経路
１４２…放出経路
１４３…排出流量調整バルブ
１４５…加湿装置
１４７…流量センサー
１５０…ラジエータ
１５２…ファン
１６０…冷却系
１６１…循環経路
１６２…バイパス経路
１６３…三方流量調整弁
１６４…循環ポンプ
１６６…温度センサー
１７０…モーター
１７２…２次電池
１７４…電流制御ユニット
１７６…容量検出センサー
１８０…アクセル
１８２…車速センサー
１８４…外気温センサー
２００…制御装置
３１０ａ…エンドプレート
３１２ＯＵＴ…空気排気口
３１２ＩＮ…空気供給口
３１４ＯＵＴ…水素排気口
３１４ＩＮ…水素供給口
３１６ＯＵＴ…冷却水排出口
３１６ＩＮ…冷却水供給口
３２０ａ…絶縁板
３３１…前端側ターミナルプレート
３３２…後端側ターミナルプレート
３３３ｂ…後端上部端子
３３３ｆ…前端上部端子
３４０、３４０Ｆ、３４０Ｒ…電池セルユニット
３４０ＦＧ…前端側セルグループ
３４０ＲＧ…後端側セルグループ
３４１…セパレーター
３４２…セル内エアー流路
３４３…セル内水素ガス流路
３４４…エアー供給流路
３４５…エアー排出流路
３５０…電池セル
４００Ｆ、４００Ｒ…流量調整弁
４０２Ｆ、４０２Ｒ…パイパス流路
４１０…シール部材
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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