燃料电池和燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池和燃料电池系统。

背景技术：

固体聚合物电解质燃料电池包括膜电极组件，在膜电极组件中，具有质子传导性的电解质膜的两表面上布置有催化剂电极层。在膜电极组件中进行电化学反应，其产生水。因此，在燃料电池中存在水。在燃料电池长时间操作的情况下，包括在吸入空气中的阳离子杂质可以被引入到燃料电池中的水中，或者构成电解质膜和催化剂电极层的材料中包含的阳离子杂质可以被洗脱到燃料电池中的水中。因此，电力生成性能退化。因此，已知一种恢复电力生成性能的方法，其中，通过使燃料电池在高负载下进行操作，通过使从燃料电池引出的电流的方向反转或使用清洗溶液清洁燃料电池的内部来降低阳离子杂质的量(例如，日本专利申请公开no.2001-85037(jp2001-85037a))。

然而，在燃料电池被安装在燃料电池车辆等上的状态下，难以使从燃料电池引出的电流的方向反转或者使用清洗溶液来清洁燃料电池的内部。此外，在使燃料电池在高负载下进行操作以恢复电力生成性能的方法中，由于燃料电池在高负载下进行操作而产生大量的水，使得阳离子杂质与所产生的水一起排出到燃料电池的外部，从而恢复电力生成性能。然而，为了在膜电极组件中保持适量的水，可以在膜电极组件的侧表面上设置疏水层。在这种情况下，即使在通过使燃料电池在高负载下进行操作而产生大量水的情况下，膜电极组件中产生的水也被疏水层阻挡。因此，难以以液体形式排出所产生的水，并且即使在将所产生的水的一部分排出到燃料电池的外部时，与所产生的水一起排出的阳离子杂质的量也是小的。

技术实现要素：

本发明提供能够将大量的阳离子杂质排出到燃料电池的外部的燃料电池和燃料电池系统。

根据本发明的第一方面提供了一种燃料电池，该燃料电池包括：膜电极组件，在该膜电极组件中，在电解质膜的两个表面上设置有电极催化剂层；疏水层，该疏水层被布置在膜电极组件的至少一个表面上；以及分离器，该分离器被布置在疏水层的与膜电极组件相对的表面上并且包括气体通道和与气体通道连接的排出歧管，该气体通道被配置成使供给至电极催化剂层的气体循环。在燃料电池中，气体通道包括排水抑制部和储水部，其中，在燃料电池安装在车辆上的状态下，排水抑制部被设置在位于重力方向上的最下侧的最下部通道上，以抑制液态水被排出至排出歧管，而储水部被设置在排水抑制部的上游，使得液态水通过排水抑制部被储存在储水部中，以及液态水连接部被设置在疏水层中，以从电极催化剂层侧穿过疏水层到分离器侧，使得液态水在电极催化剂层与储水部之间流动。

气体通道中的最下部通道可以包括在与重力方向交叉的方向上延伸的第一部分和从第一部分向上延伸并连接至排出歧管的第二部分，其中，第一部分可以用作储水部，并且第二部分可以用作排水抑制部。

第一部分可以延伸至在排出歧管正下方的区域。

排水抑制部可以是被设置在最下部通道的壁表面上的疏水膜。

排水抑制部可以是被设置在最下部通道中的突出部。

燃料电池还可以包括气体扩散层，该气体扩散层被设置在疏水层与分离器之间，其中，液态水连接部可以被设置成从电极催化剂层侧穿过疏水层和气体扩散层到达分离器侧，并且液态水连接部和储水部可以彼此接触。

气体通道可以在与重力方向交叉的方向上延伸并且可以包括沿重力方向的多个凹槽部，并且多个凹槽部中的设置有储水部分的凹槽部的截面面积可以大于其他凹槽部的截面面积。

储水部分的体积可以是膜电极组件的最大含水量的20％或更高。

气体通道可以在与重力方向交叉的方向上延伸并且可以包括沿重力方向的多个凹槽部，并且液态水连接部在重力方向上的长度可以比多个凹槽部中的与液态水连接部相对的一个凹槽部和与该一个凹槽部相邻的另一凹槽部之间的宽度更大。

根据本发明的第二方面提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：根据第一方面的燃料电池；以及气体流量控制器，该气体流量控制器被配置成对在气体通道中循环的气体的流量进行控制。当燃料电池被停止或激活时，气体流量控制器被配置成使气体在气体通道中以高于第一气体流量的第二气体流量进行循环，第一气体流量与基于燃料电池的所需输出而生成的电力量对应。

气体流量控制器可以被配置成在燃料电池的总操作时间或此前的操作时间为第一预定时间或更长时间的情况下使气体以第二气体流量进行循环并且可以被配置成在总操作时间或此前的操作时间比第一规定时间短的情况下不使气体以第二气体流量进行循环。

气体流量控制器可以被配置成在燃料电池的此前的停止时间为第二预定时间或更长时间的情况下使气体以第二气体流量进行循环，并且可以被配置成在在之前的停止时间比第二预定时间短的情况下不使气体以第二气体流量进行循环。

燃料电池系统还可以包括：冷却剂通道，该冷却剂通道被配置成使供给至燃料电池的冷却剂循环以对燃料电池进行冷却；温度检测器，该温度检测器对燃料电池的温度进行检测；以及冷却剂循环控制器，该冷却剂循环控制器被配置成对冷却剂在冷却剂通道中的循环进行控制，其中，冷却剂循环控制器可以被配置成在燃料电池的电力生成停止之后使冷却剂在冷却剂通道中循环直至燃料电池的温度低于第一预定温度为止，并且气体流量控制器可以被配置成在燃料电池的温度低于第一预定温度并且冷却剂的循环停止之后使气体以第二气体流量进行循环。

燃料电池系统还可以包括：电力生成控制器，该电力生成控制器被配置成在接收到用于停止燃料电池的信号时在燃料电池的温度低于第二预定温度的情况下使燃料电池生成电力直至燃料电池的温度为第二预定温度或更高温度为止，其中，冷却剂循环控制器可以被配置成在燃料电池的温度为第二预定温度或更高温度并且燃料电池的电力生成停止之后使冷却剂在冷却剂通道中循环，直至燃料电池的温度低于第一预定温度为止。

电力生成控制器可以被配置成通过将气体的供给量减少到少于基于燃料电池的所需输出的电力生成期间的气体的供给量来使燃料电池生成电力，直至燃料电池的温度为第二预定温度或更高温度为止。

根据本发明，可以将大量的阳离子杂质排出到燃料电池的外部。

附图说明

下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1a是示出根据第一实施方式的燃料电池的单个电池的一部分的平面图；

图1b是示出根据第一实施方式的燃料电池的单个电池的截面图；

图1c是沿图1b的线ic-ic截取的截面图；

图2是示出在从阴极气体扩散层侧观察的情况下的阴极侧分离器的平面图；

图3a是示出根据比较示例的燃料电池的单个电池的截面；

图3b是示出在从阴极气体扩散层侧观察的情况下的阴极侧分离器的平面图；

图4是示出根据比较示例的燃料电池中的液态水中包含的阳离子杂质难以被排出到燃料电池的外部的机理的图；

图5a是示出根据比较示例的通过使燃料电池在高负载下进行操作将阳离子杂质排出到燃料电池的外部的机理的图；

图5b是示出根据比较示例的通过使燃料电池在高负载下进行操作将阳离子杂质排出到燃料电池的外部的机理的图；

图6是示出根据第一实施方式的燃料电池的效果的图；

图7是示出阳离子杂质的量的图，在该图中，储存在储水部中的水的量最终在膜电极组件与储水部之间处于平衡状态；

图8是示出根据第一实施方式的第一修改示例的燃料电池的单个电池的截面图；

图9a是示出根据第一实施方式的第二修改示例的燃料电池的单个电池的截面图；

图9b是沿图9a的线ixb-ixb截取的截面图；

图10是示出形成亲水膜的方法的图；

图11是示出根据第一实施方式的第三修改示例的在从阴极气体扩散层侧观察的情况下的燃料电池的单个电池中包括的阴极侧分离器的平面图；

图12a是示出根据第二实施方式的燃料电池的单个电池的配置的截面图；

图12b是沿图12a的线xiib-xiib截取的截面图；

图13a是示出根据第三实施方式的燃料电池的单个电池的配置的截面图；

图13b是沿图13a的线xiiib-xiiib截取的截面图；

图14a是示出液态水连接部与阴极侧分离器之间的连接关系的截面图；

图14b是示出液态水连接部与阴极侧分离器之间的连接关系的截面图；

图15是示出根据第四实施方式的燃料电池的单个电池的配置的截面图；

图16a是示出根据第五实施方式的燃料电池的单个电池的配置的截面图；

图16b是沿图16a的线xvib-xvib截取的截面图；

图16c是示出在从阴极气体扩散层侧观察的情况下的阴极侧分离器的平面图；

图17a是示出根据第六实施方式的燃料电池的单个电池的配置的截面图；

图17b是沿图17a的线xviib-xviib截取的截面图；

图17c是示出在从阴极气体扩散层侧观察的情况下的阴极侧分离器的平面图；

图18是示出根据第六实施方式的第一修改示例的在从阴极气体扩散层侧观察的情况下的燃料电池的单个电池中包括的阴极侧分离器的平面图；

图19是示出根据第七实施方式的燃料电池系统的配置的图；

图20是示出根据第七实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置的阳离子杂质排出处理的示例的流程图；

图21是示出根据第八实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置的阳离子杂质排出处理的示例的流程图；

图22是示出根据第九实施方式的燃料电池系统的配置的图；

图23是示出根据第九实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置的阳离子杂质排出处理的示例的流程图(部分1)；

图24是示出根据第九实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置的阳离子杂质排出处理的示例的流程图(部分2)；

图25是示出根据第十实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置的阳离子杂质排出处理的示例的流程图(部分1)；以及

图26是示出根据第十实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置的阳离子杂质排出处理的示例的流程图(部分2)。

具体实施方式

在下文中，将参照附图来描述本发明的实施方式。

根据第一实施方式的燃料电池是固体聚合物电解质燃料电池，其通过供给燃料气体(例如氢)和助燃气体(例如空气)作为反应气体来生成电力。该燃料电池具有堆叠有多个单个电池并且被安装在例如燃料电池车辆或电动车辆上的堆叠结构。图1a是示出根据第一实施方式的燃料电池的单个电池1000的一部分的平面图。图1b是示出根据第一实施方式的燃料电池的单个电池1000的截面图。图1c是沿图1b的线ic-ic截取的截面图。如图1b所示，单个电池1000包括膜电极组件10，在膜电极组件10中，作为电极催化剂层的阴极催化剂层12和阳极催化剂层13形成在电解质膜11的两个表面上。电解质膜11是固体聚合物膜，其由氟树脂材料或烃树脂材料形成并且在湿润状态下具有优异的质子传导性。阴极催化剂层12和阳极催化剂层13包括：碳粒子(例如碳黑)，其支持用于使得电化学反应进行的催化剂(例如铂或铂钴合金)；以及具有质子传导性的离聚物。

在膜电极组件10的两个表面上，设置有用于在膜电极组件10中保持适量的水的一对疏水层(阴极侧疏水层14和阳极侧疏水层15)、一对气体扩散层(阴极气体扩散层16和阳极气体扩散层17)和一对分离器(阴极侧分离器18和阳极侧分离器19)。如图1a所示，阴极侧疏水层14和阴极气体扩散层16在外形上小于电解质膜11。同样的情况可以适用于阳极侧疏水层15和阳极气体扩散层17。在电解质膜11的周边区域(未布置疏水层和气体扩散层的区域)中设置有密封构件(未示出)。

阴极侧疏水层14、阳极侧疏水层15、阴极气体扩散层16和阳极气体扩散层17由具有气体透过性和电子传导性的构件例如多孔碳构件如碳布或碳纸形成。阴极侧疏水层14和阳极侧疏水层15的多孔碳构件比阴极气体扩散层16和阳极气体扩散层17的多孔碳构件具有更小的孔径。例如，阴极侧疏水层14和阳极侧疏水层15的孔径约为0.5μm，而阴极气体扩散层16和阳极气体扩散层17的孔径约为20μm。以这种方式，阴极侧疏水层14和阳极侧疏水层15的孔径是小的。因此，可以对水从阴极催化剂层12和阳极催化剂层13的流出量进行抑制，并且可以在膜电极组件10中保持适量的水。

阴极侧分离器18和阳极侧分离器19由具有阻气性能和电子传导性的构件例如不透气性碳构件如通过压缩碳获得的致密碳或金属构件例如通过压制成型获得的不锈钢来形成。阴极侧分离器18和阳极侧分离器19在二者表面上具有凸凹部分以形成用于使气体循环的通道。由于阴极侧分离器18，在阴极侧分离器18与阴极气体扩散层16之间形成有可以使空气循环的阴极气体通道20。由于阳极侧分离器19，在阳极侧分离器19与阳极气体扩散层17之间形成有可以使氢循环的阳极气体通道21。在第一实施方式中，阳极和阴极分别包括扩散层，但本发明不限于此。阳极或阴极中的任一个可以包括扩散层。在这种情况下，将气体从阳极气体通道或阴极气体通道通过疏水层直接供给至催化剂层。在未设置扩散层的配置中，疏水层由具有疏水功能、气体透过功能以及传导功能的密封构件形成。

文中，将更详细地描述阴极侧分离器18的结构。图2是在从阴极气体扩散层16侧观察的情况下的阴极侧分离器18的平面图。如图2所示，阴极侧分离器18包括空气供给歧管30、空气排出歧管31、氢供给歧管32、氢排出歧管33、冷却剂供给歧管34和冷却剂排出歧管35。

歧管中的每个歧管是在阴极侧分离器18的厚度方向上的通孔。空气供给歧管30形成用于使从燃料电池的外部供给的空气在燃料电池的堆叠方向上循环的通道。空气排出歧管31形成用于使从膜电极组件10排出的阴极出气在燃料电池的堆叠方向上循环以排出到燃料电池的外部的通道。氢供给歧管32形成用于使从燃料电池的外部供给的氢在燃料电池的堆叠方向上循环的通道。氢排出歧管33形成用于使从膜电极组件10排出的阳极出气在燃料电池的堆叠方向上循环以排出到燃料电池的外部的通道。冷却剂供给歧管34形成用于使从燃料电池的外部供给的冷却剂在燃料电池的堆叠方向上循环的通道。冷却剂排出歧管35形成用于使在电力生成部中已循环的冷却剂在燃料电池的堆叠方向上循环以排出到燃料电池的外部的通道。

阴极气体通道20由蜿蜒状的凹槽形成。也就是说，阴极气体通道20由以下形成：多个第一凹槽部36，多个第一凹槽部36在燃料电池安装在某物体上的状态下在与重力方向交叉的交叉方向上延伸；以及多个第二凹槽部37，多个第二凹槽部37将第一凹槽部36彼此连接并且在重力方向上延伸。多个第一凹槽部36中的位于重力方向最下侧的第一凹槽部36a具有：第一部分39a，其在与重力方向交叉的交叉方向上延伸；以及第二部分39b，其从第一部分39a向上延伸并且连接至空气排出歧管。第一凹槽部36a的第二部分39b向上延伸并且从而用作抑制液态水排出到空气排出歧管31的排水抑制部38。在第一凹槽部36a的第一部39a中，液态水难以通过排水抑制部38流向空气排出歧管31。因此，第一部分39a用作储存由停止的燃料电池产生的露凝水的储水部22。

如图1b和图1c所示，在阴极侧疏水层14中设置有液态水连接部24，通过液态水连接部24液态水在阴极催化剂层12与储水部22之间流动，其中，液态水连接部24是从阴极催化剂层12侧穿过阴极侧疏水层14到阴极气体扩散层16侧的通孔。液态水连接部24被设置成位于与第一凹槽部36a的高度相同的高度。液态水连接部24的截面例如具有直径约为0.5mm的圆形形状。液态水连接部24的截面形状不限于圆形形状，并且可以是矩形、椭圆形或其他形状。

文中，为了描述根据第一实施方式的燃料电池的效果，将描述根据比较示例的燃料电池。图3a是示出根据比较示例的燃料电池的单个电池的截面。图3b是示出在从阴极气体扩散层16侧观察的情况下的阴极侧分离器18的平面图。如图3a所示，未设置穿过阴极侧疏水层14的液态水连接部24。如图3b所示，第一凹槽部36a在交叉方向上与空气排出歧管31成直线地连接，并且未形成排水抑制部38和储水部22。因为其他配置与第一实施方式的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。

图4是示出根据比较示例的燃料电池中的液态水中包含的阳离子杂质40难以排出到燃料电池的外部的机理的图。如图4所示，由于阴极催化剂层12中的电化学反应而产生水(液态水42)。在燃料电池长时间操作的情况下，包含在吸入空气或构成电解质膜和电极催化剂层的材料中的阳离子杂质40与质子41一起被引入液态水42中。在阳离子杂质40被引入液态水42中的情况下，电力生成性能退化。阳离子杂质40的示例包括ca²⁺、mg²⁺和co²⁺。

液态水42中的阳离子杂质40通过浓度扩散而扩散到液态水42中。扩散量可以由表达式1表示，其中，在电解质膜11和阴极催化剂层12中，阳离子杂质40的最终比率是相同的。

电解质膜中的质子＝阴极催化剂层中的质子

电解质膜中的阳离子杂质阴极催化剂层中的阳离子杂质

因为在阴极催化剂层12的侧表面上设置有阴极侧疏水层14，所以液态水42不太可能从阴极催化剂层12排出到外部。然而，溶解在阴极出气中的液态水42的一部分透过阴极侧疏水层14，从而被排出到外部。另一方面，阳离子杂质40不能溶解在阴极出气中。因此，与液态水42不同，阳离子杂质不能通过溶解在阴极出气中而排出到外部。由于上述原因，液态水42中的阳离子杂质40不太可能排出到燃料电池的外部。

根据jp2001-85037a，通过使燃料电池在高负载下进行操作将阳离子杂质排出到燃料电池的外部。将使用图5a和5b来描述该方法。图5a和5b是示出根据比较示例的通过使燃料电池在高负载下进行操作而将阳离子杂质排出到燃料电池的外部的机理的图。

如图5a所示，通过使燃料电池在高负载下进行操作，产生大量的水(液态水42)。因此，比可以溶解在阴极出气中并且可以被排出到外部的液态水42的量更多的液态水42的量使阴极催化剂层12中的液态水42的压力增大。因此，阴极催化剂层12中的液态水42通过阴极侧疏水层14并且被排出到阴极气体通道20。当液态水42被排出时，阳离子杂质40在液态水42中一起被排出。

然而，通过阴极侧疏水层14并且排出到阴极气体通道20的液态水42的量不大。此外，阳离子杂质40通过浓度扩散而扩散到液态水42中。因此，移动速度慢，并且需要长时间以获得表达式1的上述状态。也就是说，阳离子杂质40不能在短时间内移动到通过使燃料电池在高负载下进行操作而产生的液态水42。因此，在使燃料电池在高负载下进行操作之前已被扩散在存在于阴极催化剂层12中的阴极侧疏水层14附近的液态水42中的阳离子杂质40的仅一部分与通过使燃料电池在高负载下进行操作所产生的液态水42一起被排出。如图5b所示，包含在电解质膜11的液态水42中的阳离子杂质40难以被排出。因此，大量的阳离子杂质40不太可能排出到燃料电池的外部。

图6是示出根据第一实施方式的燃料电池的效果的图。如图6所示，阴极气体通道20具有图2所示的储水部22。如上所述，在储水部22中，液态水42例如由于燃料电池停止而产生的露凝水难以流向空气排出歧管31，并且从而可以储存大量的液态水42。此外，在阴极侧疏水层14中设置有作为通孔的液态水连接部24。因此，阴极催化剂层12、电解质膜11和阳极催化剂层13中的液态水42通过液态水连接部24与储存在储水部22中的液态水42连接。因此，阳离子杂质40可以在阴极催化剂层12的液态水42与储存在储水部22中的液态水42之间移动。因为假设燃料电池的停止时间长到一定程度，所以假设大量的阳离子杂质40扩散到储存在储水部22中的大量液态水42中，使得储水部22的液态水42中的阳离子杂质40的浓度增大。因此，通过使在激活燃料电池期间电力生成所需要的量的气体流动，可以排出储存在储水部22中的液态水42，并且可以将大量的阳离子杂质40排出到燃料电池的外部。

如上所述，根据第一实施方式，如图2所示，阴极气体通道20包括排水抑制部38和储水部22，其中，排水抑制部38被设置在位于重力方向上最下侧的最下部通道中以抑制液态水被排出到空气排出歧管31，并且储水部22被设置在排水抑制部38的上游，使得液态水42通过排水抑制部38储存在储水部22中。如图1b所示，在阴极侧疏水层14中设置有液态水连接部24，其中，液态水42通过液态水连接部24在阴极催化剂层12与储水部22之间流动。因此，由于图6所示的机理，大量的阳离子杂质40可以被排出到燃料电池的外部，并且可以令人满意地恢复电力生成性能。由于燃料电池停止所产生的露凝水由于重力例如沿阴极气体扩散层16向下移动。因此，通过在阴极气体通道20中的位于重力方向上最下侧的最下部通道中设置储水部22，可以将大量的露凝水(液态水42)储存在储水部22中。

在第一实施方式中，优选的是，储水部22的体积为膜电极组件10的最大含水量的20％或更高。使用图7来描述该配置。图7是示出阳离子杂质40的量的图，在该图中，储存在储水部22中的水的量最终在膜电极组件10与储水部22之间处于平衡状态。在图7中，每预定行驶距离(例如1000km)所引入的阳离子杂质40的量被表示为1。在图7中，水平轴表示储存在储水部22中的水量和膜电极组件10的最大含水量之比(储存的水量/膜电极组件的最大含水量)。竖直轴表示阳离子杂质40的量，其中，通过将储存在储水部22中的液态水42重复排出到燃料电池的外部，储存在储水部22中的水量最终在膜电极组件10与储水部22之间处于平衡状态。

如图7所示，在(储存的水量/膜电极组件的最大含水量)为1的情况下，积聚在膜电极组件10中的阳离子杂质40的量被抑制到大约为每预定行驶距离所引入的阳离子杂质40的量。即使在(储存的水量/膜电极组件的最大含水量)大于1的情况下，积聚在膜电极组件10中的阳离子杂质40的量也不会减少。另一方面，在(储存的水量/膜电极组件的最大含水量)低于0.2的情况下，积聚在膜电极组件10中的阳离子杂质40的量急剧增加。

基于上述结果，从减少膜电极组件10中积聚的阳离子杂质40的量的视角出发，优选的是，储水部22的体积为膜电极组件10的最大含水量的20％或更高。储水部22的体积更优选地为膜电极组件10的最大含水量的50％或更高以及进一步优选为80％或更高。另一方面，即使在储水部22的体积大于膜电极组件10的最大含水量的100％的情况下，积聚在膜电极组件10中的阳离子杂质40的量基本上不改变。随着储水部22的体积增大，燃料电池的尺寸会增大。储水部22的体积优选地为膜电极组件10的最大含水量的200％或更低，更优选地为160％或更低，以及进一步优选地为140％或更低。

基本上基于膜电极组件10的电解质膜中的含水量和阴极催化剂层12的孔中的含水量来确定膜电极组件10中的含水量。电解质膜的最大含水量是

λ表示电解质膜中的so3^-的含水量系数。vmem、ρmem和ewmem分别表示电解质膜11的体积、密度和当量(ew)的值。vion,an、ρion,an和ewion,an表示阳极催化剂层13的离聚物的体积、密度和ew的值。vion,ca、ρion,ca和ewion,ca表示阴极催化剂层12的离聚物的体积、密度和ew。vw表示储存的水的体积。ρw和mw表示水的密度和相对分子量。

阴极催化剂层12的孔体积是基于阴极催化剂层12的结构确定的值并且可以从以下表达式3获得。因为孔含有水，所以可以通过获得孔体积来获得含水量。可以基于阴极催化剂层12的体积(面积和厚度)和孔隙率来计算孔体积。孔隙率是通过从阴极催化剂层12的体积减去阴极催化剂层12(碳载体、离聚物和催化剂)中包含的材料的总体积与阴极催化剂层12的体积相比而获得的孔体积的比率。

孔体积＝

ε表示孔隙率并且中ρc表示阴极催化剂层12中包含的碳载体的质量和密度。mion和ρion表示阴极催化剂层12中包含的离聚物的质量和密度。mpt和ρpt表示阴极催化剂层12中包含的催化剂的质量和密度。

例如，，每1cm²的最大含水量为在使用以下代表性物理性质获得的情况下的1.08mg/cm²。

λ：14

vmem：0.001cm³

ρmem：2g/m³

ewmem：1000g/mol

vion,an：7.5×10^-5cm³

ρion,an：2g/cm³

ewion,an：1000g/mol

vion,ca：1.5×10^-4cm³

ρion,ca：2g/cm³

ewion,ca：1000g/mol

vw：计算值

ρw：1g/cm³

mw：18g/mol

ε：0.45

scl：0.001cm³

在具有200cm²的电力生成面积的单个电池中，每个单个电池的最大含水量为0.216g。在这种情况下，优选的是，每个单个电池的储水部22的体积为最大含水量的20％或更高并且为0.043cc或更高。例如，具有200mm的长度、0.5mm的宽度、0.5mm的深度的凹槽部的体积为0.05cc。因此，通过使用具有上述尺寸的凹槽部来形成储水部22，储水部22可以在具有上述代表性物理性质的电池中起作用。

在第一实施方式中，从促进阴极催化剂层12的液态水42和储存在储水部22中的液态水42之间的连接的视角出发，优选的是，阴极气体扩散层16的与液态水连接部24相对的至少一部分具有高亲水性。在阴极气体扩散层16由多孔碳构件形成的情况下，例如可以通过将亲水性官能团例如羧基或羟基键合到碳上来获得亲水性碳。

在第一实施方式中，已经描述在阴极侧疏水层14中设置有一个液态水连接部24的示例，但是本发明不限于此。图8是示出根据第一实施方式的第一修改示例的燃料电池的单个电池1100的截面图。图8示出与图1c对应的部分。如图8所示，可以设置有多个液态水连接部24。

图9a是示出根据第一实施方式的第二修改示例的燃料电池的单个电池1200的截面图。图9b是沿图9a的线ixb-ixb截取的截面图。如图9a和图9b所示，在单个电池1200中，亲水膜50被设置在形成储水部22的第一凹槽部36a的壁表面上。如图10所示，亲水膜50可以通过使用掩模58对阴极侧分离器18的除第一凹槽部36a以外的部分进行掩蔽并且在第一凹槽部36a上形成由sio2、sno2、tio2等形成的氧化膜或聚合物膜例如纤维素。在阴极侧分离器18的表面部分包括碳的情况下，亲水膜50可以通过以下方式来形成：对第一凹槽部36a的表面执行例如氧化处理或等离子体处理，使得将亲水性官能团例如羧基或羟基键合到碳上。因为其他配置与第一实施方式的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。

如在第一实施方式的第二修改示例中，亲水膜50可以被设置在形成储水部22的第一凹槽部36a的壁表面上。因此，甚至在储水部22的上壁表面上，液态水42可以容易地以膜的形式储存。

图11是第一实施方式的第三修改示例的在从阴极气体扩散层16侧观察的情况下的燃料电池的单个电池1300中包括的阴极侧分离器18的平面图。如图11所示，在单个电池1300中，第一凹槽部36a的第一部分39a延伸至空气排出歧管31的正下方的区域。因为其他配置与第一实施方式的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。

如在第一实施方式的第三修改示例中的那样，通过第一凹槽部36a的第一部分39a延伸至空气排出歧管31的正下方的区域，可以在防止增大燃料电池的尺寸的同时增大储水部22的体积。

图12a是示出根据第二实施方式的燃料电池的单个电池2000的配置的截面图。图12b是沿图12a的线xiib-xiib截取的截面图。如图12a和图12b所示，在单个电池2000中，其中相比于其他第一凹槽部36，形成有储水部22的第一凹槽部36a具有在重力方向上的更长的长度并且具有更大的截面面积。因为其他配置与第一实施方式的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。

根据第二实施方式，其中形成有储水部22的第一凹槽部36a的截面面积大于其他第一凹槽部36的截面面积。可能会存在液态水42例如燃料电池的电力生成期间产生的水被储存在储水部22中使得空气供给不足的情况。在这种情况下，通过增大其中形成有储水部22的第一凹槽部36a的截面面积，可以抑制空气的供给不足。

图13a是示出根据第三实施方式的燃料电池的单个电池3000的配置的截面图。图13b是沿图13a的线xiiib-xiiib截取的截面图。如图13a和13b所示，在单个电池3000中，液态水连接部24a被设置成从阴极催化剂层12侧穿过阴极侧疏水层14和阴极气体扩散层16到阴极侧分离器18侧。液态水连接部24a与储水部22接触。因为其他配置与第一实施方式的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。

根据第三实施方式，液态水连接部24a被设置成穿过阴极侧疏水层14和阴极气体扩散层16，并且液态水连接部24a和储水部22相互接触。因此，阴极催化剂层12的液态水42和储存在储水部22中的液态水42容易地彼此连接。

在第三实施方式中，优选的是，液态水连接部24a在重力方向上的长度大于多个第一凹槽部36中的与液态水连接部24a相对的一个第一凹槽部36和和与液态水连接部24a相对的该第一凹槽部36相邻的另一个第一凹槽部36之间的宽度。优选的是，液态水连接部24a在重力方向上的长度等于或小于与液态水连接部24a相对的一个第一凹槽部36在重力方向上的宽度以及与液态水连接部24a相对的该第一凹槽部36和与该第一凹槽部分36相邻的另一第一凹槽部之间的宽度之和。将使用图14a和图14b来描述这些配置。图14a和图14b是示出液态水连接部24a与阴极侧分离器18之间的连接关系的截面图。

如图14a所示，在液态水连接部24a在重力方向上的长度等于或小于第一凹槽部36之间的宽度w的情况下，由于制造误差等原因所以液态水连接部24a可以不与第一凹槽36接触。因此，优选的是，液态水连接部24a在重力方向上的长度比与液态水连接部24a相对的一个第一凹槽部36和与该第一凹槽部36相邻的另一个第一凹槽部36之间的宽度大。

如图14b所示，在液态水连接部24a在重力方向上的长度比第一凹槽部36在重力方向上的宽度w1与第一凹槽部36之间的宽度w2之和更大的情况下，液态水连接部分24a可以与两个或更多个第一凹槽部36接触。为了将阳离子杂质40从阴极催化剂层12扩散至储水部22，液态水连接部24a与一个第一凹槽部36接触是足够的。在液态水连接部24a与两个或更多个第一凹槽部36接触的情况下，设置有液态水连接部24a的区域的面积增大，这可能导致阴极侧疏水层14的功能退化。优选的是，液态水连接部分24a在重力方向上的长度等于或小于与液态水连接部24a相对的一个第一凹槽部36在重力方向上的宽度以及与液态水连接部24a相对的该第一凹槽部36和与液态水连接部24a相对的该第一凹槽部36相邻的另一个第一凹槽部之间的宽度之和。

图15是示出根据第四实施方式的燃料电池的单个电池4000的配置的截面图。如图15所示，在单个电池4000中，被设置成穿过阴极侧疏水层14和阴极气体扩散层16的液态水连接部24b由亲水性构件形成。可以通过将纤维构件或具有孔和表面的多孔构件嵌入到穿过阴极侧疏水层14和阴极气体扩散层16的通孔中来形成由亲水性元件形成的液态水连接部24b，在该多孔构件中执行亲水处理。在液态水连接部24b由导电材料形成的情况下，在电力生成期间存在有利的效果。因此，优选的是，液态水连接部24b例如由碳材料形成。使碳材料亲水的方法的示例包括将亲水性官能团例如羧基或羟基键合到碳的表面部分的方法。该亲水性碳例如可以通过对碳执行表面处理例如氧化处理或等离子体处理来形成。因为其他配置与第三实施方式的配置相同，所以不重复对这些装置的描述。

在第一实施方式至第三实施方式中，已经描述液态水连接部24或24a是通孔的示例。然而，如在第四实施方式中，液态水连接部24b可以由亲水性构件形成。

图16a是示出根据第五实施方式的燃料电池的单个电池5000的配置的截面图。图16b是沿图16a的线xvib-xvib截取的截面图。图16c是在从阴极气体扩散层16侧观察的情况下的阴极侧分离器18的平面图。如图16a至图16c所示，在单个电池5000中，第一凹槽部36a在与重力方向交叉的交叉方向上成直线地延伸并且与空气排出歧管31连接。在第一凹槽部36a中，设置有两个区域，两个区域包括：第一区域52，在在第一区域52中，由疏水膜形成的排水抑制部38a形成在壁表面上；以及第二区域53，其位于第一区域52之间并且不形成排水抑制部38a。第二区域53用作储水部22。可以通过使用与图10相同的方法涂布氟树脂的水分散体或氟树脂的醇分散体来形成疏水膜。因为其他配置与第三实施方式的配置相同，所以不重复对这些装置的描述。

如在第五实施方式中，排水抑制部38a可以由被设置在阴极气体通道20中的位于重力方向上的最下侧的最下部通道的壁表面上的疏水膜来形成，并且位于第一区域52之间并且不设置排水抑制部38a的第二区域53可以用作储水部22，其中，第一区域52是设置有排水抑制部38a的区域。设置有排水抑制部38a的第一区域52排斥水，从而不会变湿。此外，因为第一凹槽部36a的高度是小的，所以液态水42会由于表面张力而被储存在第二区域53中。排水抑制部38a不一定被设置在储水部22的两侧并且也可以仅被设置在空气排出歧管31侧。甚至在这种配置中，排水抑制部38a也抑制水排出到空气排出歧管31。因此，液态水可以被储存在储水部22中。

在第五实施方式中，如在第一实施方式的第二修改示例中，亲水膜50可以被设置在第一凹槽部36a的形成储水部22的第二区域53的壁表面上。

图17a是示出根据第六实施方式的燃料电池的单个电池6000的配置的截面图。图17b是沿图17a的线xviib-xviib截取的截面图。图17c是在从阴极气体扩散层16侧观察的情况下的阴极侧分离器18的平面图。如图17a至图17c所示，在单个电池6000中，可以在第一凹槽部36a上形成由突出部形成的排水抑制部38b。相对于排水抑制部38b与空气排出歧管31相对的部分用作储水部22。具有用于形成气体通道的凸凹部分的分离器例如可以通过压制成形金属板或通过压缩模制碳来形成。在该形成期间，也可以同时形成排水抑制部38b。因此，排水抑制部38b由与分离器相同的材料形成。分离器可以通过使用立铣刀进行切削来制造。在这种情况下，也可以通过切削来形成排水抑制部38b。因为其他配置与第五实施方式的配置相同，所以不重复对这些装置的描述。

如在第六实施方式中，排水抑制部38b可以由被设置在阴极气体通道20中的位于重力方向上的最下侧的最下部通道中的突出部来形成。排水抑制部38b不一定由与分离器相同的材料形成并且可以由与分离器不同的材料形成。

图18是根据第六实施方式的第一修改示例的在从阴极气体扩散层16侧观察的情况下的燃料电池的单个电池6100中包括的阴极侧分离器18的平面图。如图18所示，在单个电池6100中，由第一凹槽部36a的被弯曲的部分来形成排水抑制部38c。因为其他配置与第六实施方式的配置相同，所以不重复对这些装置的描述。

在第一实施方式至第六实施方式中，可以适当地组合相应特征。也就是说，例如，通过组合第一实施方式至第四实施方式的相应特征，穿过阴极侧疏水层14的液态水连接部24可以由亲水性构件形成。在第一实施方式至第六实施方式中，已经描述气体通道是由蜿蜒形凹槽形成的蜿蜒形凹槽型通道的示例，但是可以采用其他类型的通道。

图19是示出根据第七实施方式的燃料电池系统7000的配置的图。燃料电池系统7000是用于供给驱动电力的系统并且安装在例如燃料电池车辆或电动车辆上。如图19所示，燃料电池系统7000包括燃料电池60(燃料电池堆)、氧化剂气体管道系统70、燃料气体管道系统80、冷却剂管道系统90、负载装置100和控制装置110。氧化剂气体管道系统70例如向燃料电池60供给作为氧化剂气体的包含氧的空气。燃料气体管道系统80例如向燃料电池60供给作为燃料气体的氢。

作为燃料电池60，可以使用根据第一实施方式至第六实施方式中的任一个实施方式的燃料电池。

氧化剂气体管道系统70包括空气压缩机71、氧化剂气体供给路径72、加湿模块73、阴极出气通道74和驱动空气压缩机71的电动机m1。

空气压缩机71由电动机m1驱动以对从外部空气吸入的包含氧的空气(氧化剂气体)进行压缩并且将压缩空气供给至燃料电池60的阴极。检测旋转速度的旋转速度检测传感器7a附接至电动机m1。氧化剂气体供给路径72将从空气压缩机71供给的空气引导至燃料电池60的阴极。阴极出气通过阴极出气通道74从燃料电池60的阴极排出。

加湿模块73通过在低湿条件下流过氧化剂气体供给路径72的空气与在高湿条件下流过阴极出气通道74的阴极出气之间执行水交换来适当地对供给至燃料电池60的空气进行加湿。阴极出气通道74将阴极出气排出到系统的外部。在阴极出气通道74的阴极出口附近设置有背压调节阀a1。从燃料电池60排出的空气的压力即阴极背压由背压调节阀a1来调节。检测阴极背压的压力传感器7b附接在燃料电池60与阴极出气通道74中的背压调节阀a1之间。

燃料气体管道系统80包括燃料气体供给源81、燃料气体供给路径82、燃料气体循环路径83、阳极出气路径84、燃料气体循环泵85、气液分离器86和驱动燃料气体循环泵85的电动机m2。

燃料气体供给源81是向燃料电池60供给作为燃料气体的氢的罐。燃料气体供给路径82将从燃料气体供给源81排放的氢引导至燃料电池60的阳极。在燃料气体供给路径82中，从上游开始按顺序设置罐阀h1、调节器h2和喷射器h3。这些部件是向燃料电池60供给氢或停止向燃料电池60供给氢的电磁阀。通过基于压力传感器8a的测量值来控制喷射器h3，可以对供给至燃料电池60的氢的流量进行控制。

燃料气体循环路径83使未反应的氢在燃料电池60中进行循环。在燃料气体循环路径83中，从上游按顺序设置气液分离器86、燃料气体循环泵85和止回阀(未示出)。从燃料电池60排出的未反应的氢被燃料气体循环泵85适当地加压并且被引导至燃料气体供给路径82。从燃料气体供给路径82回流至燃料气体循环路径83的氢被止回阀抑制。阳极出气通道84将包括从燃料电池60排出的氢的阳极出气以及储存在气液分离器86中的水排出到系统的外部。在阳极出气通道84中设置有排气阀h5。

冷却剂管道系统90包括冷却剂通道91、冷却剂旁通通道92、散热器93、冷却剂循环泵94和驱动冷却剂循环泵94的电动机m3。散热器93通过冷却剂通道91将冷却剂供给至燃料电池60并且接收已用于冷却燃料电池60的冷却剂。作为冷却剂，例如，可以使用水或水和乙二醇的混合物。设置冷却剂旁通通道92以便使冷却剂在冷却剂不通过散热器93的情况下循环。通过切换旋转阀95来控制是通过散热器93还是通过冷却剂旁通通道92使冷却剂循环。冷却剂循环泵94对冷却剂的循环速度进行调节。燃料电池60的内部温度由冷却剂循环泵94来调节。对从燃料电池60流出的冷却剂的温度进行检测的温度传感器9a附接在燃料电池60与冷却剂通道91中的冷却剂循环泵94之间。

负载装置100是用于测量燃料电池60的电特性的装置。负载装置100电连接在被设置在燃料电池60(燃料电池堆)的两外侧的一对集电板之间并且检测燃料电池60的总电压。负载装置100可以被配置成电连接在燃料电池的每个单个电池的分离器之间并且检测每个单个电池的电压。负载装置100在改变电流值时基于电压值和流过燃料电池60的电流值之间的关系来检测燃料电池60的阻抗。

控制装置110被配置成包括具有中央处理单元(cpu)、只读存储器(rom)和随机存取存储器(ram)的微型计算机。控制装置110基于存储在rom上的程序来控制系统的操作。不仅上述程序而且用于控制系统的各种映射、阈值等被存储在rom上。基于燃料电池60的所需要的输出、负载装置100和各种传感器等的输出，控制装置110对各种阀、燃料气体循环泵85、冷却剂循环泵94、空气压缩机71等进行控制以控制系统的包括下述阳离子杂质排出处理的操作。控制装置110在阳离子杂质排出处理中用作气体流量控制器111。气体流量控制器111通过控制空气压缩机71和喷射器h3对在被设置在分离器中的气体通道中循环的气体的流量进行控制。

图20是示出根据第七实施方式的使用燃料电池系统7000中的控制装置110的阳离子杂质排出处理的示例的流程图。如图20所示，控制装置110等待直至在步骤s10中检测到点火关闭信号为止。在检测到点火关闭信号之后(步骤s10：是)，控制装置110进行至步骤s12并且使燃料电池60的操作停止。

接下来，在步骤s14中，控制装置110确定是否需要排出阳离子杂质40。例如，在燃料电池60的此前的操作时间(从在步骤s12之前激活燃料电池60到在步骤s12中停止操作所需要的操作时间)为预定时间或更长时间的情况下，控制装置110确定需要排出阳离子杂质40。原因如下：随着燃料电池60的操作时间增加，引入的阳离子杂质40的量增加。此外，在发生以下情况中的任一种情况下，则认为阳离子杂质40的量是大的，从而控制装置110可以确定需要排出阳离子杂质40。

1.在记录单元中存在与未完成阳离子杂质的排出有关的记录的情况；

2.燃料电池60的电流-电压特性显著退化的情况(例如在预定条件下电压值低于阈值的情况)；

3.从之前的阳离子杂质排出处理起的逝去时间为预定时间(例如5000小时)或更长时间的情况；

4.从之前的阳离子杂质排出处理起的操作时间为预定时间(例如1000小时)或更长时间的情况；

5.从之前的阳离子杂质排出处理起的行驶距离为预定距离(例如5000km)或更长距离的情况；

6.由用户给出执行阳离子杂质排出处理的指令的情况(例如用户按下设置在控制台面板中的按钮的情况)。

在步骤s14中确定需要排出阳离子杂质的情况下(步骤s14：是)，控制装置110进行至步骤s16并且确定燃料电池系统是否处于可以排出阳离子杂质的环境。例如，在剩余电池容量为预定值或更高的值并且外部空气温度既不在零度以下也不是预定温度或更高温度的情况下，控制装置110确定燃料电池系统处于可以排出阳离子杂质的环境。原因如下。在剩余电池容量低于预定值的情况下，难以保证阳离子杂质排出处理所需的电力，并且在外部空气温度在零度以下的情况下，储存在储水部22中的液态水42会冻结。此外，燃料电池的热量在完成燃料电池的电力生成之后通过外部空气自然地耗散。此时，在外部空气温度为预定温度或更高温度的情况下，停止生成电力之后的燃料电池的温度没有充分地降低。因此，冷凝的液态水的量减少，液态水42没有充分地被储存。另一方面，在步骤s14中确定不需要排出阳离子杂质的情况下(步骤s14：否)，控制装置110结束阳离子杂质排出处理。

在步骤s16中确定燃料系统处于可以排出阳离子杂质的环境的情况下(步骤s16：是)，控制装置110进行至步骤s18并且确定在步骤s12中停止操作之后是否逝去预定时间。在步骤s18中确定预定时间尚未逝去的情况下(步骤s18：否)，控制装置110进行至步骤s20并且确定是否检测到点火起动信号。在未检测到点火起动信号的情况下(步骤s20：否)，控制装置110返回至步骤s18。原因如下。当燃料电池60的操作停止时，如图6所示，液态水42(露凝水)储存在形成于阴极气体通道20中的储水部22中。在这种情况下，因为阳离子杂质40的移动速度慢，所以除非给定量的时间逝去，否则阳离子杂质40扩散到储水部22的液态水42中的量是小的。

在步骤s18中确定预定时间逝去的情况下(步骤s18：是)，控制装置110进行至步骤s22并且控制空气压缩机7以使空气以比与基于燃料电池60的所需输出而生成的电力量对应的流量高的流量在阴极气体通道20中进行循环，使得储存在储水部22中的液态水42被排出。在此处，停止燃料电池60的电力生成。因此，与所生成的电力量对应的第一气体流量为零。另一方面，空气以可以将储水部22的液态水42排出的第二气体流量进行循环。第二气体流量可以是基于此前的操作条件、外部空气温度等确定的预定值或可变值。通过使空气在阴极气体通道20中进行循环，可以将储存在储水部22中的液态水42排出。通过将储水部22的液态水42排出，液态水42中的阳离子杂质40也被排出到燃料电池的外部。接下来，控制装置110进行至步骤s24，将完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。

在步骤s20中检测到点火起动信号的情况下(步骤s20：是)，控制装置110进行至步骤s26，将未完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。在步骤s16中确定燃料系统不处于可以排出阳离子杂质的环境的情况下(步骤s16：否)，控制装置110也类似地进行至步骤s26，将未完成阳离子杂质排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。

根据第七实施方式，当燃料电池60停止时，控制装置110使空气在阴极气体通道20中进行循环，使得储存在储水部22中的液态水42被排出(步骤s22)。因此，可以排出储存在储水部22中的液态水42，并且可以将大量的阳离子杂质40排出到燃料电池的外部。

根据第七实施方式，在燃料电池60的此前的操作时间短于预定时间的情况下，控制装置110不使空气在阴极气体通道20中进行循环(步骤s14)。阳离子杂质40通过从吸入的空气的引入或通过从构成膜电极组件10的材料洗脱而包含在液态水42中。因此，认为阳离子杂质40的量取决于燃料电池60的操作时间而增加。因此，在燃料电池60的操作时间短于预定时间的情况下，阳离子杂质40的量不大。因此，通过不使空气在阴极气体通道20中进行循环，可以降低不必要的功耗，从而可以提高燃料效率。

根据第七实施方式，在燃料电池60的此前的停止时间短于预定时间的情况下，控制装置110不使空气在阴极气体通道20中进行循环(步骤s18)。在燃料电池60停止时，阳离子杂质40从阴极催化剂层12扩散到储水部22需要长的时间。因此，在燃料电池60的停止时间短于预定时间的情况下，储水部22中的阳离子杂质40的量不大。因此，通过不使空气在阴极气体通道20中进行循环，可以降低不必要的功耗，从而可以提高燃料效率。

在第七实施方式中，已经描述基于燃料电池60的此前的操作时间执行步骤s14中的确定的示例。然而，可以基于燃料电池60的总操作时间(从第一次激活燃料电池60起的总操作时间)来执行步骤s14中的确定。

因为根据第八实施方式的燃料电池系统的配置与第七实施方式中的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。图21是示出根据第八实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置110进行阳离子杂质排出处理的示例的流程图。如图21所示，首先，控制装置110执行步骤s30至s36的处理。因为步骤s30至s36的处理与图20的步骤s10至s16的处理相同，所以将不重复对步骤s30至s36的描述。

在步骤s36中确定燃料系统处于可以排出阳离子杂质的环境的情况下(步骤s36：是)，控制装置110进行至步骤s38并且等待直至检测到点火起动信号为止。在检测到点火起动信号之后(步骤s38：是)，控制装置110进行至步骤s40。在步骤s40中，控制装置110确定从在步骤s32中停止燃料电池60起到在步骤s38中检测到点火起动信号所需要的停止时间是否为预定时间或更长时间。

在步骤s40中确定预定时间逝去的情况下(步骤s40：是)，控制装置110进行至步骤s42并且控制空气压缩机71以使空气以比与基于燃料电池60的所需输出而生成的电力量对应的流量高的流量在阴极气体通道20中进行循环，使得储存在储水部22中的液态水42被排出。在燃料电池的正常电力生成期间，对与基于所需输出生成的电力量对应的第一气体流量进行设置。另一方面，空气以高于第一气体流量的第二气体流量循环，在该第二气体流量下，储水部22的液态水42可以被排出。第二气体流量可以与第七实施方式中的电力生成停止期间的第二气体流量相同或者可以通过增大电力生成所需的流量而大于第七实施方式中的第二气体流量。接下来，控制装置110进行至步骤s44，将完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。

在步骤s40中确定预定时间尚未逝去的情况下(步骤s40：否)，控制装置110进行至步骤s46，将未完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。在步骤s36中确定燃料系统未处于可以排出阳离子杂质的环境的情况下(步骤s36：否)，类似地，控制装置110进行至步骤s46，将未完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。

根据第八实施方式，在激活燃料电池60期间(当检测到点火起动信号时)，控制装置110使空气以比与基于燃料电池60的所需输出而生成的电力量对应的气体流量更高的流量在阴极气体通道20中进行循环。利用上述配置，类似地，可以排出储存在储水部22中的液态水42，并且阳离子杂质40可以被排出到燃料电池的外部。

根据第八实施方式，在燃料电池60的此前的操作时间短于预定时间的情况下，控制装置110不使空气以比与基于燃料电池60的所需输出而生成的电力量对应的气体流量更高的流量在阴极气体通道20中进行循环(步骤s34)。因此，减少了不必要的功耗，从而可以提高燃料效率。

根据第八实施方式，在燃料电池60的此前的停止时间短于预定时间的情况下，控制装置110不使空气以比与基于燃料电池60的所需输出而生成的电力量对应的气体流量更高的流量在阴极气体通道20中进行循环(步骤s40)。因此，减少了不必要的功耗，从而可以提高燃料效率。

图22是示出根据第九实施方式的燃料电池系统9000的配置的图。如图22所示，在根据第九实施方式的燃料电池系统9000中，控制装置110不仅用作气体流量控制器111而且还用作阳离子杂质排出处理中的冷却剂循环控制器112和电力生成控制器113。冷却剂循环控制器112通过控制冷却剂循环泵94对冷却剂通道91中的冷却剂的循环进行控制。电力生成控制器113控制燃料电池60的电力生成。因为其他配置与第七实施方式的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。

图23和图24是示出根据第九实施方式的使用燃料电池系统9000中的控制装置110进行阳离子杂质排出处理的示例的流程图。如图23和图24所示，首先，控制装置110执行步骤s50至s54的处理。因为步骤s50至s54的处理与图20的步骤s10、s14和s16的处理相同，所以将不重复对步骤s50至s54的描述。

在步骤s54中确定燃料系统处于可以排出阳离子杂质的环境的情况下(步骤s54：是)，控制装置110进行至步骤s56并且确定燃料电池60的温度是否低于第二预定温度(例如65℃)。燃料电池60的温度可以获得自例如设置在冷却剂通道91中的温度传感器9a检测的温度。燃料电池60的温度可以使用其他方法来获得。

在步骤s56中确定燃料电池60的温度低于第二预定温度的情况下(步骤s56：是)，控制装置110进行至步骤s58并且通过使燃料电池60生成电力来执行快速加热操作。例如，控制装置110通过控制冷却剂循环泵94使燃料电池60生成电力以使供给至燃料电池60的冷却剂的流量减小到比正常电力生成期间的流量低，或者控制装置110通过将旋转阀95切换到冷却剂旁通通道92侧将冷却剂通过冷却剂旁通通道92供给至燃料电池60。以这种方式，控制装置110使燃料电池60在燃料电池60的温度可能提高的条件下生成电力。通过执行快速加热操作，可以提高燃料电池60的温度，并且可以增加燃料电池60中的气体中包含的水蒸气的量。

接下来，在步骤s60中，控制装置110确定燃料电池60的温度是否由于快速加热操作提高至第二预定温度或更高温度。在步骤s60中确定燃料电池60的温度低于第二预定温度的情况下(步骤s60：否)，控制装置110返回至步骤s58并且继续快速预热运转。另一方面，在步骤s60中确定燃料电池60的温度提高至第二预定温度或更高温度的情况下(步骤s60：是)，控制装置110进行至步骤s62并且停止燃料电池60的电力生成(操作)。在步骤s56中确定燃料电池60的温度为第二预定温度或更高温度的情况下(步骤s56：否)，控制装置110进行至步骤s62并且在不执行快速加热操作的情况下停止燃料电池60的电力生成(操作)。

接下来，在步骤s64中，控制装置110对燃料电池60执行快速冷却操作。例如，控制装置110驱动冷却剂循环泵94以使冷却剂通过散热器93在冷却剂通道91中循环，使得燃料电池60快速冷却。在燃料电池60的温度由于自然散热而非冷却剂循环而降低的情况下，例如，首先使燃料电池60的外周例如可能被冷却的歧管附近的温度降低。因此，在该区域中很可能发生露水冷凝。此外，因为水蒸气向冷的区域移动，所以膜电极组件10附近的水蒸气向歧管附近移动。因此，当膜电极组件10的温度降低时，膜电极组件10附近的水蒸气量减少，并且在膜电极组件10附近产生的露凝水的量减少。然而，通过使冷却剂在冷却剂通道91中循环以将冷却剂供给至燃料电池60，可以冷却燃料电池60的内部，从而可以在膜电极组件10附近产生大量的露凝水。因此，大量的液态水42可以储存在储水部22中。在步骤s54中，用于确定外部空气温度是否为预定温度或更高的预定温度可以是与第七实施方式中的步骤s16的预定温度相同或不同。其原因如下：在燃料电池60的热量被外部空气自然耗散的情况下，残留在燃料电池中的液态水的量与在使用冷却剂快速冷却燃料电池60的情况下残留在燃料电池中的液态水的量不同。

接下来，在步骤s66中，控制装置110确定燃料电池60的温度是否降低到低于第一预定温度(例如30℃)。在步骤s66中确定燃料电池60的温度为第一预定温度或更高温度的情况下(步骤s66：否)，控制装置110确定是否检测到点火起动信号(步骤s68)。在未检测到点火起动信号的情况下(步骤s68：否)，控制装置110返回至步骤s64并且继续快速冷却操作。

在步骤s66中确定燃料电池60的温度降低到低于第一预定温度的情况下(步骤s66：是)，控制装置110进行至步骤s70并且停止对燃料电池60的冷却。

接下来，在步骤s72中，控制装置110确定在步骤s70中停止冷却之后是否逝去预定时间。在步骤s72中确定预定时间尚未逝去的情况下(步骤s72：否)，控制装置110确定是否检测到点火起动信号(步骤s74)。在未检测到点火起动信号的情况下(步骤s74：否)，控制装置110返回至步骤s72。

在步骤s72中确定预定时间逝去的情况下(步骤s72：是)，控制装置110进行至步骤s76并且使空气在阴极气体通道20中进行循环，使得储存在储水部22中的液态水42被排出。接下来，控制装置110进行至步骤s78，将完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。

在步骤s68或步骤s74中检测到点火起动信号的情况下(步骤s68：是，或步骤s74：是)，控制装置110进行至步骤s80，将未完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。在步骤s54中确定燃料系统不处于可以排出阳离子杂质的环境的情况下(步骤s54：否)，类似地，控制装置110进行至步骤s80，将未完成阳离子杂质的排出记录在记录单元上并且结束阳离子杂质排出处理。

根据第九实施方式，在燃料电池60的电力生成(操作)停止之后，控制装置110驱动冷却剂循环泵94以使冷却剂在冷却剂通道91中循环直至燃料电池60的温度低于第一预定温度(步骤s64、s66)为止。在燃料电池60的温度低于第一预定温度并且冷却剂的循环结束之后，控制装置110使空气在阴极气体通道20中进行循环，使得储存在储水部22中的液态水42被排出(步骤s76)。因此，如上所述，可以冷却燃料电池60的内部。因此，可以在膜电极组件10的附近产生大量的露凝水，并且可以将大量的液态水42储存在储水部22中。因此，大量的阳离子杂质40可以扩散到储存在储水部22中的液态水42中，并且通过排出液态水42，可以将大量的阳离子杂质40排出到燃料电池的外部。

根据第九实施方式，在接收到用于停止燃料电池60的信号时燃料电池60的温度低于第二预定温度的情况下，控制装置110使燃料电池60生成电力直至燃料电池60的温度为第二预定温度或更高温度为止(步骤s56至s60)。在燃料电池60的温度为第二预定温度或更高温度并且停止燃料电池60之后，控制装置110使冷却剂循环直至燃料电池60的温度低于第一预定温度为止(步骤s64和s66)。如上所述，通过提高燃料电池60的温度，可以增加燃料电池60中包含的水蒸气的量。因此，通过在该状态下对燃料电池60的内部进行冷却，可以比在膜电极组件10附近产生更多的露凝水。

在第九实施方式中，在步骤s58中，控制装置110可以通过将空气的供给量减少到少于正常电力生成期间的空气供给量来使燃料电池60生成电力直至燃料电池60的温度为第二预定温度或更高温度为止。其原因如下。在减少空气供给量的情况下，产生的水量减少，但排出的水量也由于供给的空气流量而减少。因此，作为整体，可以增加残留在燃料电池60中的液态水的量。在第九实施方式中，在检测到点火关闭信号之后，执行快速加热操作以及快速冷却操作。然而，可以仅执行快速冷却操作。甚至在仅执行快速冷却操作的情况下，也可以增加残留在燃料电池60中的液态水的量。

因为根据第十实施方式的燃料电池系统的配置与第九实施方式中的配置相同，所以将不重复对相同配置的描述。图25和图26是示出根据第十实施方式的使用燃料电池系统中的控制装置110进行阳离子杂质排出处理的示例的流程图。图25和图26所示的流程图与图23和图24中的流程图不同之处在于添加了步骤s90。在步骤s90中，在步骤s56中确定燃料电池60的温度为第二预定温度或更高温度的情况下(步骤s56：否)，控制装置110确定燃料电池60的阻抗值是否低于预定值(例如，80mω)。在步骤s90中确定阻抗值低于预定值的情况下(步骤s90：是)，控制装置110进行至步骤s62。在步骤s90中确定阻抗值为预定值或更高值的情况下(步骤s90：否)，控制装置110进行至步骤s80。因为其他配置与图23和图24所示的配置相同，所以将不再重复对相同配置的描述。

根据第十实施方式，甚至当燃料电池60的温度为第二预定温度或更高温度时，在燃料电池60的阻抗值为预定值或更高值的情况下，控制装置110对燃料电池60执行快速冷却操作(步骤s90)。在燃料电池60的阻抗值为预定值或更高值的情况下，膜电极组件10是干燥的。因此，认为甚至在对燃料电池60执行快速冷却操作时，也不会在膜电极组件10的附近产生大量的露凝水。因此，在这种情况下，通过不使空气在阴极气体通道20中进行循环，减少了不必要的功耗从而可以提高燃料效率。

在第七实施方式至第十实施方式中，描述了使空气以比与基于燃料电池60的所需输出而生成的电力量对应的气体流量更高的流量循环的示例。然而，空气可以以比与基于燃料电池60的最大所需输出生成的电力量对应的气体流量更高的流量循环。在这种情况下，可以促进排出储水部22中储存的液态水42并且可以抑制储水部22中的液态水42的残留。

在第一实施方式至第十实施方式中，已经描述储水部22和液态水连接部24被设置在阴极侧的示例。然而，储水部22和液态水连接部24可以设置在阳极侧或者设置在阴极侧和阳极侧两侧。

第七实施方式至第十实施方式中所示的流程图仅仅是示例性的。可以省略一些步骤，并且可以添加其他步骤。例如，当停止燃料电池60的操作时，可以添加使气体在气体通道中进行循环的处理，使得气体通道中的液态水被暂时排出。然而，在不执行上述处理的情况下，预先存在于气体通道中的液态水和通过冷却产生的露凝水被储存在储水部中。因此，优选的是，不执行上述处理。

在上文中，已经详细地描述本发明的实施方式。然而，本发明不限于上述实施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种修改和改变。