(57)【要約】【課題】燃料電池システムを大型化させることなく、燃料電池スタックを構成する要素の劣化を抑制する。【解決手段】複数のセル１１が積層されたセル群１２を複数積層してなる燃料電池スタックと、燃料電池スタックの作動状態を制御する制御装置と、を具備した燃料電池システム１であって、燃料電池スタックは、いずれも各セル群１２を積層方向に貫通して設けられた複数のガス供給通路３４，３６及び複数のガス排出通路３５，３７と、各ガス供給通路３４，３６のセル群１２の入口に介装された入口側遮断弁３８と、各ガス排出通路３５，３７におけるセル群１２の出口に介装された出口側遮断弁４１と、各セル群１２に設けられ、ガス供給通路３４，３６に介装されたファン４４と、を備える。制御装置は、遮断弁３８，４１の開閉状態とファン４４の作動状態とを制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層されたセル群を複数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの作動状態を制御する制御装置と、を具備し、
前記燃料電池スタックは、
複数の前記セル群のそれぞれを積層方向に貫通して設けられ、各々の前記燃料電池セルに供給されるガスが流通する複数のガス供給通路と、
複数の前記セル群のそれぞれを積層方向に貫通して設けられ、各々の前記燃料電池セルから排出されるガスが流通する複数のガス排出通路と、
各々の前記ガス供給通路における前記セル群の入口に介装された入口側遮断弁と、
各々の前記ガス排出通路における前記セル群の出口に介装された出口側遮断弁と、
各々の前記セル群に設けられ、前記ガス供給通路又は前記ガス排出通路に介装されたファンと、を備え、
前記制御装置は、前記入口側遮断弁及び前記出口側遮断弁の各開閉状態と前記ファンの作動状態とを制御する
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記ガスが供給されない非作動セル群となるように前記入口側遮断弁を制御するとともに、前記非作動セル群の前記出口側遮断弁を閉鎖し、前記非作動セル群の前記ファンを駆動するという劣化抑制制御を実施する
ことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記複数の燃料電池セルのそれぞれのセル電圧を検出する電圧センサを具備し、
前記制御装置は、前記電圧センサによって所定電圧値を超える前記セル電圧が検出された場合に、前記劣化抑制制御を実施する
ことを特徴とする、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記電圧センサによって前記所定電圧値を超える前記セル電圧が検出された場合に、前記複数のセル群を一つずつ前記非作動セルとして選択し、前記劣化抑制制御を段階的に実施する
ことを特徴とする、請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数のセル群は、前記入口側遮断弁及び前記出口側遮断弁の各開閉状態によって前記ガスが供給される作動セル群と前記非作動セル群とに分けられ、
前記燃料電池システムは、前記作動セル群が直列に接続される出力回路と、前記非作動セル群が直列に接続される放電回路と、前記出力回路及び前記放電回路のそれぞれに介装されて前記制御装置により制御されるスイッチとを備えている
ことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記複数のガス供給通路は、互いに連通状態で設けられ、
前記複数のガス排出通路は、互いに分離した独立状態で設けられている
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の動力源や家庭用電力源として利用可能な燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素（水素ガス）と酸素（空気）との燃焼反応を利用した燃料電池で発電を実施し、その電力を用いて電動機を作動させる燃料電池自動車（FCV；Fuel Cell Vehicle）が開発されている。燃料電池は、化学反応や電解質の種類によって、固体高分子型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体酸化物型燃料電池といったさまざまなタイプに分類される。なかでも、固体高分子型燃料電池（PEFC；Polymer Electrolyte Fuel Cell）は、常温から100℃以下の作動温度で発電が可能であることから、車両用動力源や家庭用発電装置としての用途が期待されている。
【０００３】
燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層してなるセル群を複数積層して構成され、水素ガス及び空気のそれぞれが流通する通路を備える。水素ガス及び空気は、発電中に継続して供給され、発電の終了と共にその供給が止められるため、発電終了時には各通路に水素ガス及び空気がそれぞれ残留する。この残留ガスは、セルを構成するカソード極（空気極）及びアノード極（燃料極）の各電極間にある電解質膜を透過して、各電極の触媒担体や触媒金属を酸化劣化させることが知られている。
【０００４】
また、燃料電池システムのなかには、発電終了時に通路に残留している水素ガスを空気に置換し、発電停止中はいずれの通路にも空気を残留させることで、安全性を向上させるものがある。この燃料電池システムでは、起動時（発電を開始する前）に水素ガス通路内の空気を水素ガスに置換しなければならない。しかし、水素ガスへの置換時（起動時）にカソード極（空気極）側が部分的に高電圧状態となり、電極物質（例えば、触媒担体や触媒金属やセパレータ等）が酸化劣化するという課題がある。
【０００５】
これらの課題に対し、発電停止後に通路内に残留したガスを一定時間循環させる循環路及び循環装置を備えた燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池スタックの通路内に残留したガスを流動させたのち通路を閉鎖する。これにより、残留ガス中の酸素の消費を促して、化学反応がほとんど起こらない状態の残留ガスを残すことで、電極の触媒担体や触媒金属の酸化劣化を抑制できるとされている。また、このシステムでは水素ガスを空気に置換する方法を採用していないため、上述した起動時の高電圧状態による酸化劣化という課題が発生しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１４９５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１のシステムでは、残留ガスを循環させるための通路及び装置が燃料電池スタックの外部に設けられているため、燃料電池システム全体の大型化や重量増加を回避することが難しい。そのため、例えば、燃料電池を車両用動力源として用いる場合には、スペース効率の悪化や燃費悪化を招く可能性がある。
【０００８】
本件の燃料電池システムは、このような課題に鑑み案出されたもので、大型化を回避しつつ燃料電池スタックの劣化を抑制することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）開示の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されたセル群を複数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの作動状態を制御する制御装置と、を具備する。前記燃料電池スタックは、複数の前記セル群のそれぞれを積層方向に貫通して設けられ、各々の前記燃料電池セルに供給されるガスが流通する複数のガス供給通路と、複数の前記セル群のそれぞれを積層方向に貫通して設けられ、各々の前記燃料電池セルから排出されるガスが流通する複数のガス排出通路と、各々の前記ガス供給通路における前記セル群の入口に介装された入口側遮断弁と、各々の前記ガス排出通路における前記セル群の出口に介装された出口側遮断弁と、各々の前記セル群に設けられ、前記ガス供給通路又は前記ガス排出通路に介装されたファンと、を備えている。また、前記制御装置は、前記入口側遮断弁及び前記出口側遮断弁の各開閉状態と前記ファンの作動状態とを制御する。なお、前記ガスの具体例としては、前記燃料電池の燃料となる改質水素ガスや純水素ガス，石炭ガス，天然ガス，酸素ガス，空気，二酸化炭素ガスなどの気体が挙げられる。
【００１０】
（２）前記制御装置は、前記ガスが供給されない非作動セル群となるように前記入口側遮断弁を制御するとともに、前記非作動セル群の前記出口側遮断弁を閉鎖し、前記非作動セル群の前記ファンを駆動するという劣化抑制制御を実施することが好ましい。
（３）前記燃料電池システムは、前記複数の燃料電池セルのそれぞれのセル電圧を検出する電圧センサを具備することが好ましい。この場合、前記制御装置は、前記電圧センサによって所定電圧値を超える前記セル電圧が検出された場合に、前記劣化抑制制御を実施することが好ましい。
【００１１】
（４）前記制御装置は、前記電圧センサによって前記所定電圧値を超える前記セル電圧が検出された場合に、前記複数のセル群を一つずつ前記非作動セルとして選択し、前記劣化抑制制御を段階的に実施することが好ましい。
（５）前記複数のセル群は、前記入口側遮断弁及び前記出口側遮断弁の各開閉状態によって前記ガスが供給される作動セル群と前記非作動セル群とに分けられることが好ましい。また、前記燃料電池システムは、前記作動セル群が直列に接続される出力回路と、前記非作動セル群が直列に接続される放電回路と、前記出力回路及び前記放電回路のそれぞれに介装されて前記制御装置により制御されるスイッチとを備えていることが好ましい。
（６）前記複数のガス供給通路は、互いに連通状態で設けられ、前記複数のガス排出通路は、互いに分離した独立状態で設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
開示の燃料電池システムによれば、ガスが流通する通路内に設けられた入口側遮断弁及び出口側遮断弁とファンとを制御することで、セルに残留したガスの化学反応を促進させることができ、燃料電池スタック内に反応性の低い（すなわち、化学反応がほとんど起こらない）ガスを残留させることができる。これにより、燃料電池スタックの電極を構成する要素（例えば、空気極の触媒担体や触媒金属等）の劣化を抑制することができる。また、各遮断弁及びファンはいずれもガスが流通する通路内に設けられるため、燃料電池システムの大型化を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックに設けられる集電板の分解斜視図である。
【図３】図１の燃料電池スタックを構成する第二セル群と第三セル群との境界周辺のセルを分解して示す斜視図である。
【図４】図１の燃料電池スタックに設けられるガス通路を例示する模式図である。
【図５】実施形態に係る燃料電池システムの構成を電気回路図と併せて例示する模式図であり、作動モードが通常モードである場合を示す。
【図６】図５の電気回路図を作動モードごとに示す図であり、（ａ）が第一劣化抑制モード、（ｂ）が第二劣化抑制モード、（ｃ）が第三劣化抑制モードである。
【図７】実施形態に係る燃料電池システムの制御構成を説明するための表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して実施形態としての燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、例えば電気自動車やハイブリッド自動車，家庭用電気製品などに適用される発電システムである。燃料電池の種類は、固体高分子型燃料電池（PEFC）である。ただし、本件の燃料電池は、固体酸化物型燃料電池（SOFC；Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC；Molten Carbonate Fuel Cell），リン酸型燃料電池（PAFC；Phosphoric Acid Fuel Cell），アルカリ電解質型燃料電池（AFC；Alkaline Fuel Cell）などを用いて構成することも可能である。
【００１５】
以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【００１６】
［１．装置構成］
［１−１．全体構成］
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１が備える燃料電池スタック１０を示す斜視図である。燃料電池スタック１０は、複数のセル群１２と複数の集電板１３とを板厚方向に重ね合わせたスタックアッセンブリ構造を有する。図１には、板厚方向の両端部のそれぞれに配置された端板１４間に複数のセル群１２と複数の集電板１３とが交互に積層状態で配置され、端板１４の四隅が締結部品１５で締結固定された燃料電池スタック１０を例示する。
【００１７】
両端部に配置された一対の端板１４のうち、一方（図中左側）の端板１４には水素供給口１６，空気供給口１８，冷却水供給口２０が設けられ、他方（図中右側）の端板１４には水素排出口１７，空気排出口１９，冷却水排出口２１が設けられる。水素，空気，冷却水のそれぞれは各供給口１６，１８，２０から燃料電池スタック１０に供給されるため、各供給口１６，１８，２０側が水素，空気，冷却水の各流通方向の上流側となり、各排出口１７，１９，２１側が下流側となる。
【００１８】
セル群１２は、薄板状に形成された複数のセル１１（燃料電池セル）が積層されて構成される。図１には、三つのセル群１２を有する燃料電池スタック１０を例示する。以下、三つのセル群１２を、上流側から順に第一セル群１２Ａ，第二セル群１２Ｂ，第三セル群１２Ｃと呼ぶ。なお、燃料電池スタック１０内に配置されるセル１１の総数は、各セル１１の発電量や燃料電池スタック１０に要求される電力量に応じて決定される。また、各セル群１２を構成するセル１１の枚数は任意であり、全てのセル群１２が同じセル１１の枚数で構成される必要はなく、燃料電池スタック１０の用途に応じて適宜設定可能である。また、本実施形態の燃料電池スタック１０内には三つのセル群１２が設けられているが、燃料電池スタック１０内のセル群１２の個数はこれに限られない。
【００１９】
集電板１３は、銅やステンレスで形成された導電部品である。集電板１３には、例えば燃料電池スタック１０の発電電力を取り出すための端子が設けられる。集電板１３は、各セル群１２の積層方向（板厚方向）の両端に一枚ずつ配置される。また、隣接するセル群１２の間に位置する集電板１３は、図２に示すように絶縁シート４を介して隣接配置される。なお、絶縁シート４は、隣接する端板１４及び集電板１３の間にも配置される。
【００２０】
以下、各セル群１２の一方の端部に配置される集電板１３をアノード側集電板２２と呼び、他方に配置される集電板１３をカソード側集電板２３と呼ぶ。本実施例においては、各セル群１２の上流側の端部にアノード側集電板２２を配置し、下流側の端部にカソード側集電板２３を配置するものとする。ただし、燃料電池スタック１０内のセル１１の構成や燃料電池スタック１０を流れるガスの流通方向によっては、アノード側集電板２２とカソード側集電板２３とは逆に配置されても良いし、それ以外の構成も可能である。
【００２１】
第一セル群１２Ａ，第二セル群１２Ｂ，第三セル群１２Ｃのそれぞれに設けられる各アノード側集電板２２及び各カソード側集電板２３を区別する場合には、第一，第二，第三を冒頭に付すとともにＡ，Ｂ，Ｃを末尾に加えて表現する。例えば、第一セル群１２Ａには上流側の端部に第一アノード側集電板２２Ａと下流側の端部に第一カソード側集電板２３Ａとが配置される。
【００２２】
水素供給口１６は、発電燃料である水素ガス（燃料ガス）を各セル群１２に送り込むための導入口となる部位である。水素供給口１６は燃料電池スタック１０に一つ設けられ、その上流側には図示しない水素タンクと繋がる配管が接続される。一方、水素排出口１７は、各セル群１２に供給されたのちの水素ガスや、反応してできた水を排出するための出口となる部位であり、セル群１２ごとに設けられる。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１０には三つの水素排出口１７（第一水素排出口１７Ａ，第二水素排出口１７Ｂ，第三水素排出口１７Ｃ）が設けられる。
【００２３】
セル群１２ごとに設けられた各水素排出口１７からは、そのセル群１２のセル１１内を流動した水素ガスなどが排出される。すなわち、第一水素排出口１７Ａは、第一セル群１２Ａのセル１１内を流動した水素ガスなどを排出し、第二水素排出口１７Ｂは、第二セル群１２Ｂのセル１１内を流動した水素ガスなどを排出し、第三水素排出口１７Ｃは、第三セル群１２Ｃのセル１１内を流動した水素ガスなどを排出する。
【００２４】
空気供給口１８は、水素ガスと反応する酸素を含んだ空気を各セル群１２に送り込むための導入口となる部位である。空気供給口１８は燃料電池スタック１０に一つ設けられ、その上流側には図示しないブロアが配置された配管が接続される。一方、空気排出口１９は、各セル群１２に供給されたのちの空気や、反応してできた水を排出するための出口となる部位であり、セル群１２ごとに設けられる。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１０には三つの空気排出口１９（第一空気排出口１９Ａ，第二空気排出口１９Ｂ，第三空気排出口１９Ｃ）が設けられる。
【００２５】
セル群１２ごとに設けられた各空気排出口１９からは、そのセル群１２のセル１１内を流動した空気などが排出される。すなわち、第一空気排出口１９Ａは、第一セル群１２Ａのセル１１内を流動した空気などを排出し、第二空気排出口１９Ｂは、第二セル群１２Ｂのセル１１内を流動した空気などを排出し、第三空気排出口１９Ｃは、第三セル群１２Ｃのセル１１内を流動した空気などを排出する。
【００２６】
冷却水供給口２０は、冷却水を各セル群１２に送り込むための導入口となる部位であり、冷却水排出口２１は冷却水が排出される出口となる部位である。冷却水供給口２０及び冷却水排出口２１は燃料電池スタック１０にそれぞれ一つずつ設けられる。冷却水は、燃料電池スタック１０全体を冷却するための冷媒である。冷却水は冷却水供給口２０から供給され、全てのセル１１に設けられた後述の冷却水溝３３を通り、冷却水排出口２１から排出される。
【００２７】
［１−２．セルの構成］
図３は、第二セル群１２Ｂと第三セル群１２Ｃとの境界周辺（図１中の領域Ｒ）のセル１１を分解して示す斜視図である。図３に示すように、各セル１１は、アノードセパレータ２４と、カソードセパレータ２５と、膜電極接合体２６（MEA；Membrane Electrode Assembly）と、ガスケット２７とから構成される。
【００２８】
ガスケット２７は、ゴムや合成樹脂などで形成された薄板状の弾性部材であり、水素ガスや空気，冷却水などの漏洩を防止する封止機能を担う。膜電極接合体２６は、電解質膜２８の片面にアノード電極２９を配置し、反対側の面にカソード電極３０を配置した構造を持つ。アノード電極２９及びカソード電極３０は、例えば、図示しないカーボンペーパーなどからなる拡散層（GDL；Gas Diffusion Layer）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が拡散層の表面に一様に塗布されて形勢される触媒層（図示せず）とによって構成される。電解質膜２８は、例えばプロトン交換膜やアニオン交換膜などの固体高分子膜である。
【００２９】
各セル１１は、ガスケット２７に膜電極接合体２６を介装し、膜電極接合体２６のアノード電極２９側にアノードセパレータ２４を圧着し、カソード電極３０側にカソードセパレータ２５を圧着して形成される。
【００３０】
アノードセパレータ２４の表面のうちアノード電極２９に接触する面には、膜電極接合体２６の形状に対応する凹みが形成され、その凹みの内側に水素ガス溝３１が形成される。水素ガス溝３１は、水素ガスを各セル１１のアノード電極２９にくまなく供給するように、アノード電極２９の表面に対して平行な平面内で水素ガスの流れを蛇行させる通路となる溝である。水素ガス溝３１は、いずれも後述する、水素供給通路３４を形成する貫通孔と水素排出通路３５を形成する貫通孔との間を一筆書きで接続する形状で配索される。水素ガス溝３１の溝深さは、ここを流通する水素ガスの流速や流量に応じて適宜設定される。
【００３１】
同様に、カソードセパレータ２５の表面のうちカソード電極３０に接触する面にも、膜電極接合体２６の形状に対応する凹みが形成され、その凹みの内側に空気溝３２が形成される。空気溝３２は、空気を各セル１１のカソード電極３０にくまなく供給するように、カソード電極３０の表面に対して平行な平面内で空気の流れを蛇行させる通路となる溝である。空気溝３２は、いずれも後述する、空気供給通路３６を形成する貫通孔と空気排出通路３７を形成する貫通孔との間を一筆書きで接続する形状で配索される。空気溝３２の溝深さは、ここを流通する空気の流速や流量に応じて適宜設定される。
【００３２】
アノードセパレータ２４及びカソードセパレータ２５のそれぞれの裏面（すなわち、水素ガス溝３１が形成された面の裏面と、空気溝３２が形成された面の裏面）には、冷却水溝３３が形成される。冷却水溝３３は、セパレータ２４，２５の全体が均一に冷却されるように、水素ガス溝３１や空気溝３２と同様の平面内で冷却水が流れる溝である。冷却水溝３３は、冷却水供給口２０に繋がる貫通孔と冷却水排出口２１に繋がる貫通孔とに連通する。冷却水溝３３の溝深さは、ここを流通する冷却水の流速や流量に応じて適宜設定される。なお、アノードセパレータ２４の裏面の冷却水溝３３とカソードセパレータ２５の裏面の冷却水溝３３とは互いに対向する位置に配索される。このように鏡面対称に配置することで流路を重ねることができ、冷却水の流路面積を倍増させることが可能である。
【００３３】
［１−３．ガス通路の構成］
図４は、燃料電池スタック１０内に設けられるガス通路を示すための模式図である。
燃料電池スタック１０は、各セル群１２のセル１１に供給されるガス（水素ガス及び空気）が流通する複数のガス供給通路３４，３６と、各セル群１２のセル１１から排出されるガスが流通する複数のガス排出通路３５，３７とを備える。
【００３４】
これらのガス供給通路３４，３６及びガス排出通路３５，３７はいずれも、複数のセル群１２のそれぞれを積層方向に貫通して設けられる。具体的には、各通路３４〜３７は、各セル群１２に形成された貫通孔と、各セル群１２の両端に配置される集電板１３に形成された貫通孔とが連通することによって形成される。すなわち、各通路３４〜３７は、複数の貫通孔がガスの流通方向に連通状態で並設されることで構成される。各通路３４〜３７は、各セル群１２のセル１１に形成される水素ガス溝３１及び空気溝３２と連通して設けられる。
【００３５】
ガス供給通路３４，３６及びガス排出通路３５，３７は燃料電池スタック１０に供給されるガスの種類別に設けられる。すなわち、図４に示すように、燃料電池スタック１０内には、各セル１１に供給される水素ガスが流通する水素供給通路３４と、各セル１１に供給される空気が流通する空気供給通路３６と、各セル１１から排出される水素ガスや水（以下単に「水素ガス」という）が流通する水素排出通路３５と、各セル１１から排出される空気や水（以下単に「空気」という）が流通する空気排出通路３７とが設けられる。ガス供給通路３４，３６を流通した水素ガス及び空気はそれぞれ水素ガス溝３１，空気溝３２へと流入し、各溝３１，３２を流通している間に化学反応をしたのち、ガス排出通路３５，３７を通って排出される。
【００３６】
各通路３４〜３７はいずれも、燃料電池スタック１０内のセル群１２の個数と同数ずつ設けられる。すなわち、水素供給通路３４は三つのセル群１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのそれぞれに水素ガスを供給する三つの通路を有し、空気供給通路３５も三つのセル群１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのそれぞれに空気を供給する三つの通路を有する。同様に、水素排出通路３５及び空気排出通路３７は、三つのセル群１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのそれぞれから流出した水素ガス又は空気を排出する三つの通路を有する。
【００３７】
以下、各通路３４〜３７をセル群１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃごとに区別する場合には、第一，第二，第三を冒頭に付すとともにＡ，Ｂ，Ｃを末尾に加えて表現する。例えば、第一セル群１２Ａには第一水素供給通路３４Ａ，第一水素排出通路３５Ａ，第一空気供給通路３６Ａ，第一空気排出通路３７Ａが設けられる。
【００３８】
水素供給通路３４及び水素排出通路３５の構成について説明する。
図４に示すように、第一水素供給通路３４Ａ，第二水素供給通路３４Ｂ，第三水素供給口３４Ｃは、上流側からこの順に並んで設けられるとともに、隣接する通路同士が互いに連通するように直列に配置される。最も上流側の第一水素供給通路３４Ａは水素供給口１６と連通して設けられ、水素供給口１６から供給された水素ガスが三つの水素供給通路３４Ａ〜３４Ｃを流通しながら各セル１１内に流入する。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１０は、三つの水素供給通路３４Ａ〜３４Ｃが互いに連通状態で設けられる。
【００３９】
一方、第一水素排出通路３５Ａ，第二水素排出通路３５Ｂ，第三水素排出通路３５Ｃはいずれも独立した流路として設けられる。すなわち、これら三つの水素排出通路３５Ａ〜３５Ｃは並列に配置されて互いに分離した独立状態で設けられ、各水素排出通路３５Ａ〜３５Ｃの下流側には各水素排出口１７Ａ〜１７Ｃが接続される。
【００４０】
なお、第一セル群１２Ａに設けられた第一水素排出通路３５Ａと第一水素排出口１７Ａとは積層方向に離れているため、第二セル群１２Ｂ及び第三セル群１２Ｃには第一水素排出通路３５Ａと第一水素排出口１７Ａとを連通させるための第一水素接続通路３５Ａ′が設けられる。第一水素接続通路３５Ａ′は、第二セル群１２Ｂ及び第三セル群１２Ｃに一直線状に設けられた通路であり、第二水素排出通路３５Ｂ及び第三水素排出通路３５Ｃとは交わらない。第一水素接続通路３５Ａ′は、セル群１２Ｂ及び１２Ｃの各セル１１の水素ガス溝３１とは連通しないように各セル１１に形成された貫通孔と、セル群１２Ｂ及び１２Ｃの両端にそれぞれ配置される集電板１３に形成された貫通孔とが連通することによって形成される。
【００４１】
同様に、第二セル群１２Ｂに設けられた第二水素排出通路３５Ｂと第二水素排出口１７Ｂとは積層方向に離れているため、第三セル群１２Ｃには第二水素排出通路３５Ｂと第二水素排出口１７Ｂとを連通させるための第二水素接続通路３５Ｂ′が設けられる。第二水素接続通路３５Ｂ′は、第三セル群１２Ｃに一直線状に設けられた通路であり、第三水素排出通路３５Ｃとは交わらない。第二水素接続通路３５Ｂ′は、第三セル群１２Ｃの各セル１１の水素ガス溝３１とは連通しないように各セル１１に形成された貫通孔と、第三セル群１２Ｃの両端に配置される集電板１３に形成された貫通孔とが連通することによって形成される。
【００４２】
空気供給通路３６及び空気排出通路３７の構成について説明する。空気供給通路３６及び空気排出通路３７は、水素供給通路３４及び水素排出通路３５と同様に構成される。
図４に示すように、第一空気供給通路３６Ａ，第二空気供給通路３６Ｂ，第三空気供給通路３６Ｃは、上流側からこの順に並んで設けられるとともに、隣接する通路同士が互いに連通するように直列に配置される。最も上流側の第一空気供給通路３６Ａは空気供給口１８と連通して設けられ、空気供給口１８から供給された空気が三つの空気供給通路３６Ａ〜３６Ｃを流通しながら各セル１１内に流入する。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１０は、三つの空気供給通路３６Ａ〜３６Ｃが互いに連通状態で設けられる。
【００４３】
一方、第一空気排出通路３７Ａ，第二空気排出通路３７Ｂ，第三空気排出通路３７Ｃはいずれも独立した流路として設けられる。すなわち、これら三つの空気排出通路３７Ａ〜３７Ｃは並列に配置されて互いに分離した独立状態で設けられ、各空気排出通路３７Ａ〜３７Ｃの下流側には各空気排出口１９Ａ〜１９Ｃが接続される。
【００４４】
なお、第一セル群１２Ａに設けられた第一空気排出通路３７Ａと第一空気排出口１９Ａとは積層方向に離れているため、第二セル群１２Ｂ及び第三セル群１２Ｃには第一空気排出通路３７Ａと第一空気排出口１９Ａとを連通させるための第一空気接続通路３７Ａ′が設けられる。第一空気接続数路３７Ａ′は、第二セル群１２Ｂ及び第三セル群１２Ｃに一直線状に設けられた通路であり、第二空気排出通路３７Ｂ及び第三空気排出通路３７Ｃとは交わらない。第一空気接続通路３７Ａ′は、セル群１２Ｂ及び１２Ｃの各セル１１の空気溝３２とは連通しないように各セル１１に形成された貫通孔と、セル群１２Ｂ及び１２Ｃの両端にそれぞれ配置される集電板１３に形成された貫通孔とが連通することによって形成される。
【００４５】
同様に、第二セル群１２Ｂに設けられた第二空気排出通路３７Ｂと第二空気排出口１９Ｂとは積層方向に離れているため、第三セル群１２Ｃには第二空気排出通路３７Ｂと第二空気排出口１９Ｂとを連通させるための第二空気接続通路３７Ｂ′が設けられる。第二空気接続通路３７Ｂ′は、第三セル群１２Ｃに一直線状に設けられた通路であり、第三空気排出通路３７Ｃとは交わらない。第二空気接続通路３７Ｂ′は、第三セル群１２Ｃの各セル１１の空気溝３２とは連通しないように各セル１１に形成された貫通孔と、第三セル群１２Ｃの両端に配置される集電板１３に形成された貫通孔とが連通することによって形成される。
【００４６】
［１−４．弁の構成］
図４に示すように、各ガス供給通路３４Ａ〜３４Ｃ及び３６Ａ〜３６Ｃには、入口側遮断弁３８が一つずつ設けられる。また、各ガス排出通路３５Ａ〜３５Ｃ及び３７Ａ〜３７Ｃには、出口側遮断弁４１が一つずつ設けられる。入口側遮断弁３８及び出口側遮断弁４１の各開閉状態は、後述する電圧センサ４７で検出された各セル１１の電圧値（セル電圧値）に基づいて、後述する制御装置２により個別に制御される。
【００４７】
以下、各ガス供給通路３４Ａ〜３４Ｃ及び３６Ａ〜３６Ｃ，各ガス排出通路３５Ａ〜３５Ｃ及び３７Ａ〜３７Ｃのそれぞれに介装される入口側遮断弁３８，出口側遮断弁４１をそれぞれ区別する場合には、第一，第二，第三を冒頭に付すとともにＡ，Ｂ，Ｃを末尾に加えて表現する。例えば、第一水素供給通路３４Ａ及び第一空気供給通路３６Ａのそれぞれには第一入口側遮断弁３８Ａが介装される。また、第一水素排出通路３５Ａ及び第一空気排出通路３７Ａのそれぞれには第一出口側遮断弁４１Ａが介装される。
【００４８】
本実施形態では、水素供給通路３４に介装される入口側遮断弁３８と空気供給通路３６に介装される入口側遮断弁３８とが同一のタイミングで開閉されるものとし、これらを同一の符号で示す。なお、水素供給通路３４に介装される入口側遮断弁３８と空気供給通路３６に介装される入口側遮断弁３８とが互いに異なるタイミングで開閉されるように制御しても良い。水素排出通路３５と空気排出通路３７とに介装される出口側遮断弁４１についても同様である。
【００４９】
入口側遮断弁３８及び出口側遮断弁４１はノーマリーオープンタイプの開閉弁であり、制御装置２の作動信号を受けてガス（水素ガス又は空気）の流通を遮断する機能を持つ。入口側遮断弁３８及び出口側遮断弁４１は、例えば図３に拡大して示すように、図示しないモータにより回転する回転翼と、回転翼に対応した形状の開口部とから構成される。開口部を閉塞可能に軸支された回転翼が開口部を完全に閉塞した状態になると、各通路３４〜３７の流通が遮断される。
【００５０】
入口側遮断弁３８は、各ガス供給通路３４Ａ〜３４Ｃ及び３６Ａ〜３６Ｃにおけるセル群１２の入口に介装される。本実施形態では、第一セル群１２Ａに供給される水素ガス及び空気をそれぞれ遮断する第一入口側遮断弁３８Ａが、第一水素供給通路３４Ａ及び第一空気供給通路３６Ａの各入口に位置する上流側（図１中の左側）の端板１４に内蔵される。
【００５１】
また、第二セル群１２Ｂに供給される水素ガスを遮断する第二入口側遮断弁３８Ｂは、第二水素供給通路３４Ｂの入口（例えば、第一カソード側集電板２３Ａに隣接する第一セル群１２Ａのセル１１のカソードセパレータ２５）に内蔵される。また、第三セル群１２Ｃに供給される水素ガスを遮断する第三入口側遮断弁３８Ｃは、第三水素供給通路３４Ｃの入口（例えば図３に示すように、第二カソード側集電板２３Ｂに隣接する第二セル群１２Ｂのセル１１のカソードセパレータ２５）に内蔵される。
【００５２】
同様に、第二セル群１２Ｂに供給される空気を遮断する第二入口側遮断弁３８Ｂは、第二空気供給通路３６Ｂの入口（例えば、第二アノード側集電板２２Ｂに隣接する第二セル群１２Ｂのセル１１のアノードセパレータ２４）に内蔵される。また、第三セル群１２Ｃに供給される空気を遮断する第三入口側遮断弁３８Ｃは、第三空気供給通路３６Ｃの入口（例えば図３に示すように、第三アノード側集電板２２Ｃに隣接する第三セル群１２Ｃのセル１１のアノードセパレータ２４）に内蔵される。
【００５３】
一方、出口側遮断弁４１は、各ガス排出通路３５Ａ〜３５Ｃ及び３７Ａ〜３７Ｃにおけるセル群１２の出口に介装される。本実施形態では、第一セル群１２Ａから排出される水素ガスを遮断する第一出口側遮断弁４１Ａが、第一水素排出通路３５Ａの出口（例えば、第一カソード側集電板２３Ａに隣接する第一セル群１２Ａのセル１１のカソードセパレータ２５）に内蔵される。また、第二セル群１２Ｂから排出される水素ガスを遮断する第二出口側遮断弁４１Ｂは、第二水素排出通路３５Ｂの出口（例えば図３に示すように、第二カソード側集電板２３Ｂに隣接する第二セル群１２Ｂのセル１１のカソードセパレータ２５）に内蔵される。
【００５４】
同様に、第一セル群１２Ａから排出される空気を遮断する第一出口側遮断弁４１Ａは、第一空気排出通路３７Ａの出口（例えば、第二アノード側集電板２２Ｂに隣接する第二セル群１２Ｂのセル１１のアノードセパレータ２４）に内蔵される。また、第二セル群１２Ｂから排出される空気を遮断する第二出口側遮断弁４１Ｂは、第二空気排出通路３７Ｂの出口（例えば図３に示すように、第三アノード側集電板２２Ｃに隣接する第三セル群１２Ｃのセル１１のアノードセパレータ２４）に内蔵される。なお、第三セル群１２Ｃから排出される水素ガス及び空気をそれぞれ遮断する第三出口側遮断弁４１Ｃは、第三水素排出通路３５Ｃ及び第三空気排出通路３７Ｃの各出口に位置する下流側（図１中の右側）の端板１４に内蔵される。
【００５５】
図４に示すように、三つの水素供給通路３４Ａ〜３４Ｃは互いに連通し、三つの空気供給通路３６Ａ〜３６Ｃは互いに連通しているため、あるセル群１２の入口側遮断弁３８が閉鎖されると、この入口側遮断弁３８の上流側に位置するセル群１２にのみ水素ガス及び空気が供給される。言い換えると、閉鎖された入口側遮断弁３８の下流側に位置するセル群１２へのガスの供給が遮断される。
【００５６】
以下、セル１１にガスが供給されない状態を「非作動状態」と呼び、非作動状態のセル１１を含むセル群１２を「非作動セル群」と呼ぶ。反対に、セル１１にガスが供給されている（すなわち発電している）状態を「作動状態」と呼び、作動状態のセル１１を含むセル群１２を「作動セル群」と呼ぶ。つまり、複数のセル群１２は、入口側遮断弁３８及び出口側遮断弁４１の各開閉状態によって、作動セル群と非作動セル群とに分けられる。なお、各セル群１２の両方の弁３８，４１を閉鎖すると、そのセル群１２は非作動状態であり、かつ密閉状態となる。
【００５７】
［１−５．ファンの構成］
図４に示すように、各ガス供給通路３４Ａ〜３４Ｃ及び３６Ａ〜３６Ｃには、ファン４４が一つずつ設けられる。ファン４４は、各セル群１２に設けられ、そのセル群１２内のガスを循環させる機能を持つ。本実施形態のファン４４は、セル群１２が非作動状態であるときに作動し、その非作動セル群１２内の各セル１１に残留したガス（残留ガス）を循環させることで、残留ガスの化学反応を促進させる機能を持つ。
【００５８】
以下、各ガス供給通路３４Ａ〜３４Ｃ及び３６Ａ〜３６Ｃに介装されるファン４４をそれぞれ区別する場合には、第一，第二，第三を冒頭に付すとともにＡ，Ｂ，Ｃを末尾に加えて表現する。例えば、第一水素供給通路３４Ａ及び第一空気供給通路３６Ａのそれぞれには第一ファン４４Ａが介装される。本実施形態では、水素供給通路３４に介装されるファン４４と空気供給通路３６に介装されるファン４４とが同一の作動状態に制御されるものとし、これらを同一の符号で示す。なお、水素供給通路３４に介装されるファン４４の作動状態と空気供給通路３６に介装されるファン４４の作動状態とを個別に制御しても良い。
【００５９】
各ファン４４は、例えば図３に示すように、各ガス供給通路３４Ａ〜３４Ｃ及び３６Ａ〜３６Ｃ内にそれぞれ配置された入口側遮断弁３８の下流側に位置し、入口側遮断弁３８と同軸に設けられる。各ファン４４は、図示しないモータを駆動源とし、その作動状態はセル電圧値に基づいて制御装置２によって個別に制御される。
【００６０】
［１−６．電気回路の構成］
図５は、燃料電池システム１の構成を電気回路図と併せて示す模式図であり、後述する通常モード時の回路状態を示す。本実施形態の燃料電池システム１は、図５に示すように、燃料電池スタック１０と制御装置２と電圧センサ４７と出力端子３と放電端子６と複数のスイッチ７，８，９とを備える。電圧センサ４７は燃料電池スタック１０内の各セル１１の電圧を検出し、検出した電圧値（セル電圧値）を制御装置２に送信する。制御装置２は、電圧センサ４７からのセル電圧値に基づき、複数のスイッチ７，８，９のオンオフ状態を制御する。
【００６１】
出力端子３は、作動セル群１２で発電された電力を出力電力として送電するための出力回路の端子である。出力端子３は、アノード側出力端子３ｘとカソード側出力端子３ｙとによって構成される。アノード側出力端子３ｘは第一セル群１２Ａの第一アノード側集電板２２Ａに接続され、カソード側出力端子３ｙは各セル群１２のカソード側集電板２３に接続される。
【００６２】
放電端子６は、非作動セル群１２の電力を放電電力として送電するための放電回路の端子である。放電端子６は、アノード側放電端子６ｘとカソード側放電端子６ｙとによって構成される。アノード側放電端子６ｘは各セル群１２のアノード側集電板２２に接続され、カソード側放電端子６ｙは第三セル群１２Ｃのカソード側集電板２３Ｃに接続される。
【００６３】
複数のスイッチ７，８，９は用途に応じて直列スイッチ７と出力スイッチ８と放電スイッチ９とに大別される。
【００６４】
直列スイッチ７は、隣り合う二つのセル群１２のうち、一方のセル群１２のアノード側集電板２２と他方のセル群１２のカソード側集電板２３との間に介装され、二つのセル群１２の断接状態を切り分けるスイッチである。図５に示す例では、第一カソード側集電板２３Ａと第二アノード側集電板２２Ｂとの間に介装される直列スイッチ７を第一直列スイッチ７Ａと呼び、第二カソード側集電板２３Ｂと第三アノード側集電板２２Ｃとの間に介装される直列スイッチ７を第二直列スイッチ７Ｂと呼ぶ。
【００６５】
出力スイッチ８は、カソード側出力端子３ｙと各セル群１２のカソード側集電板２３との間に介装され、これらの断接状態を切り分けるスイッチである。図５に示す例では、第一カソード側集電板２３Ａ，第二カソード側集電板２３Ｂ，第三カソード側集電板２３Ｃのそれぞれとカソード側出力端子３ｙとの間に介装される出力スイッチ８をそれぞれ第一出力スイッチ８Ａ，第二出力スイッチ８Ｂ，第三出力スイッチ８Ｃと呼ぶ。
【００６６】
放電スイッチ９は、アノード側放電端子６ｘと各セル群１２のアノード側集電板２２との間に介装され、これらの断接状態を切り分けるスイッチである。図５に示す例では、第一アノード側集電板２２Ａ，第二アノード側集電板２２Ｂ，第三アノード側集電板２２Ｃのそれぞれとアノード側放電端子６ｘとの間に介装される放電スイッチ９を、それぞれ第一放電スイッチ９Ａ，第二放電スイッチ９Ｂ，第三放電スイッチ９Ｃと呼ぶ。
【００６７】
制御装置２は、例えば車両や電気製品に搭載される電子制御装置〔ECU（Electronic Control Unit）〕の一つであり、プロセッサとメモリとを搭載した電子デバイスである。プロセッサとは、例えばCPU（Central Processing Unit），MPU（Micro Processing Unit）などのマイクロプロセッサであり、メモリとは、例えばROM（Read Only Memory），RAM（Random Access Memory），不揮発メモリなどである。制御装置１で実施される制御の内容は、ファームウェアやアプリケーションプログラムとしてメモリに記録，保存されており、プログラムの実行時にはプログラムの内容がメモリ空間内に展開されて、プロセッサによって実行される。
【００６８】
本実施形態の制御装置２は、セル電圧値に応じて燃料電池スタック１０の作動モードを切り替えながら燃料電池スタック１０の劣化抑制制御を実施する。劣化抑制制御とは、セル１１の高電圧化や高電圧状態を回避するとともにセル１１内に残留したガスの反応を促進する制御である。本実施形態の制御装置２は、入口側遮断弁３８及び出口側遮断弁４１の各開閉状態とファン４４の作動状態とを制御するとともに、スイッチ７〜９のオンオフ状態を制御することで、劣化抑制制御を実施する。
【００６９】
［２．制御構成］
本実施形態の燃料電池システム１には、作動モードとして、全てのセル１１の電力を出力電力として利用する通常モードと、上記の劣化抑制制御を実施する劣化抑制モードとの二種類が設けられる。劣化抑制モードでは、複数のセル群１２の一部又は全部が非作動セル群１２となるように制御されて、セル群１２（作動セル群及び非作動セル群）の劣化抑制が図られる。
【００７０】
なお、劣化抑制モードには、作動セル群１２の個数に応じて複数のモード（例えば第一劣化抑制モード，第二劣化抑制モードなど）が設けられてもよい。本実施形態では、図７に示すように、通常モードと、三つの劣化抑制モードとが設けられる場合を例示する。以下、各モードについて説明する。
【００７１】
［２−１．通常モード］
本実施形態の制御装置２は、燃料電池スタック１０の起動時には通常モードを選択する。通常モードでは、全てのセル群１２が作動セル群として機能する。すなわち、制御装置２は、図７に示すように、入口側遮断弁３８及び出口側遮断弁４１をいずれも開放し、全てのファン４４を停止させる。これにより、三つのセル群１２に対してガスが供給される。更にこの場合、制御装置２は、図５に示すように、二つの直列スイッチ７Ａ，７Ｂ及び第三出力スイッチ８Ｃをオンとし、残りのスイッチをオフとする。これにより、三つの作動セル群１２が直列に接続された出力回路３Ｓ（図中のハッチング部分）が形成され、出力端子３から電力が送電可能となる。なお、この場合には非作動セル群が存在しないため、放電回路６Ｓは形成されない。
【００７２】
［２−２．劣化抑制モード］
制御装置２は、通常モードの選択中に、電圧センサ４７によって所定電圧値を超えるセル電圧が検出された場合に劣化抑制モードを選択する。すなわち、複数のセル電圧値の中に所定電圧値を超えるものが含まれている場合には、作動モードを通常モードから劣化抑制モードに切り替えて劣化抑制制御を実施する。劣化抑制モードは、燃料電池スタック１０を構成する要素の劣化を抑制する必要がある場合に選択されるモードである。言い換えると、燃料電池スタック１０を構成する要素の劣化を抑制する必要がない場合には、通常モードが選択され続ける。本実施形態では、劣化抑制の必要性の有無を、セル電圧値によって判断する。上記の所定電圧値は燃料電池スタック１０の仕様に応じて予め設定されており、例えば0.9Ｖとされる。
【００７３】
制御装置２は、劣化抑制モードを選択した場合には劣化抑制制御を実施する。すなわち、所定のセル群１２が非作動セル群となるように入口側遮断弁３８を制御するとともに、その非作動セル群１２の出口側遮断弁４１を閉じ、非作動セル群１２のファン４４を駆動する。本実施形態の制御装置２は、下流側のセル群１２（すなわち第三セル群１２Ｃ）から順番に非作動セル群とする。
【００７４】
具体的には、制御装置２は、通常モードから最初に劣化抑制モードに切り替えた場合には、最も下流側の第三セル群１２Ｃのみが非作動セル群となるように弁３８，４１を制御する。このときの劣化抑制モードを「第一劣化抑制モード」と呼ぶ。第一劣化抑制モードでは、図７に示すように、第三入口側遮断弁３８Ｃ及び第三出口側遮断弁４１Ｃが閉鎖され、第三セル群１２Ｃが密閉状態の非作動セル群とされるとともに第三ファン４４Ｃが駆動される。
【００７５】
この場合、制御装置２は、図６（ａ）に示すように、第二出力スイッチ８Ｂ及び第三放電スイッチ９Ｃをオンに切り替え、第二直列スイッチ７Ｂ及び第三出力スイッチ８Ｃをオフに切り替える。これにより、第一セル群１２Ａ及び第二セル群１２Ｂが直列に接続された出力回路３Ｓが形成され、これらの発電電力が出力端子３から送電される。このため、出力電力が通常モード時よりも低下する。また、非作動セル群である第三セル群１２Ｃが接続された放電回路６Ｓ（図中ドット部分）が形成され、この第三セル群１２Ｃの電圧が放電端子６から取り出されることで、第三セル群１２Ｃのセル１１の電位差が解消される（電圧が低下する）。
【００７６】
燃料電池スタック１０を構成する要素が劣化する要因として、低負荷運転時の過剰電力供給に起因したセル１１の高電圧化が挙げられる。そこで、本実施形態の制御装置２は、燃料電池スタック１０内の一部のセル群１２を非作動セル群とし、残りのセル群１２のみを発電させる。このため、作動セル群１２の数が通常モード時よりも少なくなることから、作動セル群のセル１１の高電圧化が抑制される。
【００７７】
また、燃料電池スタック１０を構成する要素が劣化する要因として、非作動状態のセル１１の電位差が高いまま保持されてしまう（高電圧状態が維持されてしまう）ことも挙げられる。そこで、本実施形態の制御装置２は、放電回路を通じて、非作動セル群である第三セル群１２Ｃの電圧を取り出すため、非作動状態のセル１１の電位差が解消され、高電圧状態が維持されることを回避する。
【００７８】
また、燃料電池スタック１０を構成する要素が劣化する要因として、非作動状態のセル１１内に残留したガスが電解質膜２８を透過して、アノード電極２９及びカソード電極３０を酸化させることも挙げられる。そこで、本実施形態の制御装置２は、第一劣化抑制モードでは、第三ファン４４Ｃを駆動して第三セル群１２のセル１１内の残留ガスを循環させることで、残留ガスの化学反応を促進する。これにより、第三セル群１２Ｃ内には反応性の低いガスが残留することになるため、上記の要因による酸化劣化が抑制される。なお、第三セル群１２Ｃの残留ガスの化学反応により発電された電力は、放電端子６から取り出される。
【００７９】
このように、本燃料電池システム１は、作動セル群１２が直列に接続される出力回路３Ｓと、非作動セル群１２が直列に接続される放電回路６Ｓと、これらの出力回路３Ｓ及び放電回路６Ｓのそれぞれに介装されて制御装置２により制御されるスイッチ７〜９とを備えている。そして、劣化抑制制御を実施することにより、セル１１の高電圧化や高電圧状態を回避しつつ、非作動セル群１２の電極２９，３０の酸化劣化が抑制される。
【００８０】
［２−３．劣化抑制モードの段階的な実施］
本実施形態の制御装置２は、電圧センサ４７によって所定電圧値を超えるセル電圧が検出された場合に、複数のセル群１２を一つずつ非作動セルとして選択して、上記の劣化抑制制御を段階的に実施する。すなわち、通常モードから第一劣化抑制モードに切り替えた場合に、作動状態である複数のセル１１の中に、所定電圧値を超えるセル電圧値のセル１１が存在する場合には、作動モードを第一劣化抑制モードから第二劣化抑制モードに切り替えて劣化抑制制御を実施する。
【００８１】
第二劣化抑制モードは、第一劣化抑制モードと同様に、セル１１の高電圧化や高電圧状態を回避しつつ、非作動セル群１２の電極２９，３０の酸化劣化を抑制するために、劣化抑制制御が実施される作動モードである。ただし、第二劣化抑制モードは、第一劣化抑制モードよりも作動セル群の数が少ないモードである。
【００８２】
制御装置２は、第二劣化抑制モードに切り替えた場合には、最も下流側の第三セル群１２Ｃ及びその直上流側の第二セル群１２Ｂが非作動セル群となるように弁３８，４１を制御する。制御装置２は、第二劣化抑制モードでは、図７に示すように、第二入口側遮断弁３８Ｂを閉鎖するとともに第三入口遮断弁３８Ｃを開放する。また、第三出口側遮断弁４１Ｃを閉鎖したまま、第二出口側遮断弁４１Ｂも閉鎖し、第二セル群１２Ｂ及び第三セル群１２Ｃを密閉状態の非作動セル群とする。
【００８３】
この場合、制御装置２は、図６（ｂ）に示すように、第二直列スイッチ７Ｂ，第一出力スイッチ８Ａ及び第二放電スイッチ９Ｂをオンに切り替え、第一直列スイッチ７Ａ，第二出力スイッチ８Ｂ及び第三放電スイッチ９Ｃをオフに切り替える。これにより、第一セル群１２Ａだけが出力回路３Ｓ上に介装され、その発電電力が出力端子３から送電されるため、出力電力が第一劣化抑制モード時よりも低下する。
【００８４】
一方、第二セル群１２Ｂ及び第三セル群１２Ｃは直列に接続された放電回路６Ｓを形成するため、これらの電位差は解消され、非作動セル群のセル１１の高電圧状態は維持されない。更にこの場合、制御装置２は、第二ファン４４Ｂ及び第三ファン４４Ｃを駆動して、第二セル群１２Ｂ及び第三セル群１２Ｃのセル１１内の残留ガスを循環させることで、残留ガスの化学反応を促進し、酸化劣化を抑制する。
【００８５】
なお、制御装置２は、第二劣化抑制モードの選択中に、上記の所定電圧値（例えば0.9Ｖ）よりも低い第二所定電圧値（例えば0.6Ｖ）を下回るセル電圧が電圧センサ４７によって検出された場合には、第二劣化抑制モードから第一劣化抑制モードへと切り替える。同様に、第一劣化抑制モードの選択中に、上記の所定電圧値（例えば0.9Ｖ）よりも低い第三所定電圧値（例えば0.5Ｖ）を下回るセル電圧が電圧センサ４７によって検出された場合には、第一劣化抑制モードから通常モードへと切り替える。なお、第二所定電圧値と第三所定電圧値とが同一の値であっても良いし、前者が後者より低くても良い。
【００８６】
本実施形態の制御装置２は、燃料電池スタック１０による発電を終了する場合には、第三劣化抑制モードを選択する。すなわち、第三劣化抑制モードは、燃料電池スタック１０が発電を終えるときに実施されるモードである。第三劣化抑制モードは、第一及び第二劣化抑制モードと同様、劣化抑制制御が実施される作動モードである。ただし、第三劣化抑制モードは、作動セル群がゼロ（すなわち、全てのセル群１２が非作動セル群とされた）モードである。
【００８７】
制御装置２は、第三劣化抑制モードでは、図７に示すように、第一入口側遮断弁３８Ａを閉鎖し、第二入口側遮断弁３８Ｂ及び第三入口側遮断弁３８Ｃを開放する。また、出口側遮断弁４１Ａ〜４１Ｃを全て閉鎖し、全てのファン４４を一定時間だけ駆動する。更にこの場合、制御装置２は、図６（ｃ）に示すように、二つの直列スイッチ７Ａ，７Ｂ及び第一放電スイッチ９Ａをオンとし、残りのスイッチをオフとする。これにより、三つの非作動セル群１２Ａ〜１２Ｃが直列に接続された放電回路６Ｓを形成するため、非作動セル群１２のセル１１の高電圧状態が解消される。更に、ファン４４の作動によって残留ガスが循環することで発電した電力が放電端子６から取り出し可能となり、酸化劣化が抑制される。なお、この場合には作動セル群が存在しないため、出力回路３Ｓは形成されない。
【００８８】
［３．作用，効果］
（１）上述した燃料電池システム１によれば、ガスが流通する通路３４〜３７内に設けられた入口側遮断弁３８及び出口側遮断弁４１とファン４４とを制御することで、セル１１に残留したガスの化学反応を促進でき、燃料電池スタック１０内に反応性の低い（すなわち、化学反応がほとんど起こらない）ガスを残留させることができる。これにより、燃料電池スタック１０の電極２９，３０を構成する要素（例えば、カソード電極３０の触媒担体や触媒金属等）の劣化を抑制できる。また、各遮断弁３８，４１及びファン４４は、セル群１２に貫設されたガス供給通路３４，３６及びガス排出通路３５，３７にそれぞれ介装されるため、燃料電池スタック１０の大型化を回避できる。
【００８９】
特に、各遮断弁３８，４１及びファン４４はセル群１２ごとに設けられているため、各セル群１２の内部で残留ガスを循環させ、残留ガスの反応を促進させることができる。このため、燃料電池スタック１０内の全てのセル１１に残留するガスを燃料電池スタック１０全体で循環させるための循環ポンプなどを設ける必要がない。これにより、燃料電池システム１全体の小型化を図ることができる。更に、各遮断弁３８，４１及びファン４４がセル群１２ごとに設けられるため、燃料電池スタック１０のセル１１内に残留するガスを偏りなく循環させることができる。これにより、残留ガスの化学反応をより促進でき、燃料電池スタック１０の劣化を抑制できる。
【００９０】
（２）上述した燃料電池システム１では、ガスが供給されない非作動セル群となるように入口側遮断弁３８が閉鎖されるとともに、非作動セル群の出口側遮断弁４１も閉鎖されるため、非作動セル群１２を密閉状態にできる。この状態で、その非作動セル群１２に設けられたファン４４を作動させる（すなわち劣化抑制制御が実施される）ことで、その非作動セル群１２内の残留ガスが流動して化学反応が促進されるため、その非作動セル群１２内には反応性の低いガスを残すことができる。これにより、非作動セル群１２の各セル１１内ではほとんど化学反応が起こらないため、燃料電池スタック１０を構成する要素の劣化を抑制できる。
【００９１】
また、劣化抑制制御を実施することで、作動セル群１２の数が、劣化抑制制御を実施しない場合（上述した通常モード時）よりも少なくなり、出力電力が低下する。これにより、低負荷運転時の過剰電力供給に起因した作動セル群１２のセル１１の高電圧化を抑制できるため、これによっても燃料電池スタック１０を構成する要素の劣化を抑制できる。
【００９２】
（３）上述した燃料電池システム１では、電圧センサ４７によって所定電圧値を超えるセル電圧が検出された場合、すなわちセル電圧が高い場合に劣化抑制制御を実施する。これにより、非作動セル群１２以外のセル群１２（すなわち作動セル群）の電流量が増加し、これに伴って作動セル群１２の電圧が低下する。すなわち、非作動セル群１２は、残留ガスの化学反応を促進させることで劣化を抑制でき、作動セル群１２は高電圧状態を回避することで劣化を抑制できる。
【００９３】
（４）上述した燃料電池システム１によれば、段階的に劣化抑制制御を行うことによって出力を維持しつつ、極端な電力低下を防ぎながらセル１１の高電圧化による酸化劣化を抑制することができる。すなわち、燃料電池スタック１０の使用を停止させることなく、燃料電池スタック１０の劣化を抑制できるため、利便性を向上させることができる。
【００９４】
（５）上述した燃料電池システム１では、劣化抑制制御を実施している場合でも出力回路３Ｓから電力を取り出すことができる。更に、放電回路６Ｓからは劣化抑制制御中に生じる電力（すなわち、残留ガスを循環させることで発電した電力）を取り出すことができる。また、上述した燃料電池システム１によれば、非作動セル群１２が直列に接続された放電回路６Ｓが形成されて、放電端子６から非作動セル群１２の電力が取り出されるため、非作動セル群１２のセル１１の電位差を解消することができる。これにより、非作動セル群１２にガスが供給されていない状態で（すなわちセル１１が非作動状態であるときに）、セル１１が高電圧になることを抑制できるため、燃料電池スタック１０の劣化を抑制できる。
【００９５】
（６）上述した燃料電池システム１では、三つの水素供給通路３４Ａ〜３４Ｃと三つの空気供給路３６Ａ〜３６Ｃとがいずれも互いに連通状態で設けられる。すなわち、ガス供給通路３４，３６のそれぞれが一本の流路として設けられるため、各通路３４，３６上に介装された入口側遮断弁３８のうちの一つを閉鎖することで、その弁３８よりも下流側にあるセル群１２に対するガスの供給を遮断できる。つまり、簡素な構成で、セル群１２へのガスの供給及び遮断を切り替えることができる。
【００９６】
一方で、三つの水素排出通路３５Ａ〜３５Ｃと三つの空気排出通路３７Ａ〜３７Ｃとはいずれも互いに分離した独立状態で設けられるため、各通路３５Ａ〜３５Ｃ又は３７Ａ〜３７Ｃ上の出口側遮断弁４１を閉鎖するだけで、各セル群１２を簡単に密閉状態にすることができる。つまり、簡素な構成で、密閉状態である非作動セル群１２のセル１１内の残留ガスを循環させることができる。
【００９７】
［４．その他］
上述した燃料電池スタック１０の構成や電気回路の構成は一例であって上述した構成に限られない。また、劣化抑制制御の内容も一例であって、上述した制御内容に限られない。
本実施例において、燃料電池システム１の起動時に選択される作動モードは通常モードとして説明したが、燃料電池システム１の起動時に選択される作動モードは通常モードに限られず、他の作動モードを選択しても良い。例えば、燃料電池システム１の起動時に第一劣化抑制モードや第二劣化抑制モードを実施するものとしても良い。このような構成であれば、起動と同時にセル１１が高電圧となることを防止することが可能となり、各セル１１の劣化をより抑制することが可能となる。
【００９８】
また、本実施例においては、作動モードは電圧センサ４７で検出された各セル１１のセル電圧に基づいて選択されるものとしたが、他のパラメータに基づいて作動モードを選択しても良い。例えば、出力端子６の電圧に基づいて各セル１１のセル電圧を推定し、推定したセル電圧値を用いて作動モードを選択しても良い。このような構成であれば、各セル１１のセル電圧を検出するための電圧センサ４７や回路（配線）が不要となるため、燃料電池システム１の構成をより簡素化できる。
【００９９】
或いは、作動モードの選択を、燃料電池システム１への要求出力に応じて行っても良い。例えば、燃料電池システム１が車両の電力源として搭載されている場合には、アクセル開度や車載機器の作動状態等に基づき要求出力を推定して、その要求出力に応じて作動モードを選択しても良い。このような構成であれば、要求出力に応えつつ、劣化抑制を図ることができる。
【０１００】
本実施例において、三つのガス供給通路３４Ａ〜３４Ｃ，３６Ａ〜３６Ｃは互いに連通するものとしたが、それぞれを独立した通路としても設けても良い。例えば、ガス排出通路３５，３７と同様に、ガス供給口１６，１８をセル群１２ごとに設け、各ガス供給通路３４，３６に連通するような構成としても良い。このような構成であれば、劣化抑制制御を実施する際に、非作動状態とするセル群１２を任意に選択することが可能となる。これにより、全てのセル群１２に対して均等に劣化抑制制御を実施することや、劣化が進行しているセル群１２に対して積極的に劣化抑制制御を実施することが可能となり、セル群１２間での劣化の偏りを防ぐことができる。
【０１０１】
また、例えば一本の共通ガス供給通路を設け、独立して設けられたガス供給通路（例えば上記の水素供給通路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ）のそれぞれが共通ガス供給通路と連通するように構成しても良い。この場合、共通ガス供給通路を流れるガスが独立した各ガス供給通路に流入する入口部分に、入口側遮断弁を設けることによって劣化抑制制御を実施することが可能となる。このように、共通ガス供給通路を設けることによって、燃料電池スタック１０の端板１４に設けられる供給口及び排出口の数を減らすことができ、燃料電池スタック１０の構造をより簡素化することができる。
【０１０２】
更に、本実施例においては、水素ガス及び空気のそれぞれのガス通路３４〜３７に入口側遮断弁３８と出口側遮断弁４１とを設けているが、空気通路３６，３７だけに入口側遮断弁３８と出口側遮断弁４１を設けるものとしても良い。セル群１２のセル１１内に反応性の低いガスを残留させるには、空気中の酸素が消費される必要があるため、空気が流通する通路３６，３７に入口側遮断弁３８と出口側遮断弁４１とを設けることによって、より簡素な構造でセル１１の劣化を抑制することが可能となる。
【０１０３】
また、本実施例の劣化抑制制御では、非作動状態とするセル群１２のうち最も上流に位置するセル群１２の入口側遮断弁３８のみが閉鎖され、このセル群１２よりも下流にあるセル群１２の入口側遮断弁３８は開放されたままとなっているが、非作動状態とする全てのセル群１２の入口側遮断弁３８を閉鎖しても良い。例えば、ガス供給通路がセル群１２ごとに独立して設けられている場合には、上述したように非作動状態とするセル群１２のすべての入口側遮断弁３８を閉鎖することによって効果的に劣化抑制制御を実施することが可能となる。
【０１０４】
本実施例において、ファン４４はガス供給通路３４，３６に介装されるものとして説明したが、ファン４４をガス排出通路３５，３７に介装しても良い。この場合、ファン４４は各ガス排出通路３５Ａ〜３５Ｃ及び３７Ａ〜３７Ｃ内にそれぞれ配置された出口側遮断弁４１の上流側に配置されることで劣化抑制制御が実施可能となる。
【０１０５】
本実施例において、燃料電池スタック１０内を流動するガスは水素ガスと空気であるものとして説明したが、水素ガスや空気以外のガスを流動させるものとしても良い。例えば、燃料電池の燃料となる石炭ガスや天然ガス，酸素ガス，二酸化炭素ガスなどとしても良い。
【符号の説明】
【０１０６】
１  燃料電池システム
２  制御装置
３Ｓ  出力回路
６Ｓ  放電回路
７，７Ａ，７Ｂ  直列スイッチ（スイッチ）
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ  出力スイッチ（スイッチ）
９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ  放電スイッチ（スイッチ）
１０  燃料電池スタック
１１  セル
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ  セル群
３４  水素供給通路（ガス供給通路）
３５  水素排出通路（ガス排出通路）
３６  空気供給通路（ガス供給通路）
３７  空気排出通路（ガス排出通路）
３８，３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ  入口側遮断弁
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ  出口側遮断弁
４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ  ファン
４７  電圧センサ
【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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