燃料电池和燃料电池系统技术方案

燃料电池包括：膜电极组件(10)；阴极侧疏水层(14)和阳极侧疏水层(15)；阴极侧分离器(18)，该阴极侧分离器包括阴极气体通道(20)和与阴极气体通道(20)连通的空气排出歧管(31)。阴极气体通道(20)包括排水抑制部(38)和储水部(22)。排水抑制部(38)被设置在位于重力方向上的最下侧的最下部通道上。储水部(22)被设置在排水抑制部的上游，使得液态水通过排水抑制部储存在储水部中。液态水连接部(24)被设置在疏水层中以穿过疏水层，使得液态水在催化剂层与储水部之间流动。

Fuel cell and fuel cell system

The fuel cell includes a membrane electrode assembly (10); the cathode side of the hydrophobic layer (14) and the anode side of the hydrophobic layer (15); the cathode side separator (18), the cathode side separator includes a cathode gas channel (20) and the cathode gas channel (20) communicated with the air discharge manifold (31). The cathode gas channel (20) including Drainage Department (38) and inhibit the storage part (22). The drainage suppression unit (38) is disposed on the lowest side of the lower side of the gravity direction. Storage part (22) is set in the upstream inhibition of drainage, the liquid water through the water stored in the storage section in the Department of inhibition. The liquid water connecting part (24) is set in the hydrophobic layer through the hydrophobic layer, the liquid water flow between the catalyst layer and the storage section.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池和燃料电池系统
本专利技术涉及燃料电池和燃料电池系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术，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专利技术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的线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包括：膜电极组件，在所述膜电极组件中，在电解质膜的两个表面上设置有电极催化剂层；疏水层，所述疏水层被布置在所述膜电极组件的至少一个表面上；以及分离器，所述分离器被布置在所述疏水层的与所述膜电极组件相对的表面上并且包括气体通道和与所述气体通道连接的排出歧管，其中，所述气体通道被配置成使供给至所述电极催化剂层的气体循环，所述燃料电池的特征在于：所述气体通道包括排水抑制部和储水部，在所述燃料电池安装在车辆上的状态下，所述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，以便抑制液态水被排出至所述排出歧管，所述储水部被设置在所述排水抑制部的上游，使得液态水通过所述排水抑制部被储存在所述储水部中，以及液态水连接部被设置在所述疏水层中，以便从电极催化剂层侧穿过所述疏水层到达分离器侧，使得液态水在所述电极催化剂层与所述储水部之间流动。

【技术特征摘要】
2015.12.21 JP 2015-2489181.一种燃料电池，包括：膜电极组件，在所述膜电极组件中，在电解质膜的两个表面上设置有电极催化剂层；疏水层，所述疏水层被布置在所述膜电极组件的至少一个表面上；以及分离器，所述分离器被布置在所述疏水层的与所述膜电极组件相对的表面上并且包括气体通道和与所述气体通道连接的排出歧管，其中，所述气体通道被配置成使供给至所述电极催化剂层的气体循环，所述燃料电池的特征在于：所述气体通道包括排水抑制部和储水部，在所述燃料电池安装在车辆上的状态下，所述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，以便抑制液态水被排出至所述排出歧管，所述储水部被设置在所述排水抑制部的上游，使得液态水通过所述排水抑制部被储存在所述储水部中，以及液态水连接部被设置在所述疏水层中，以便从电极催化剂层侧穿过所述疏水层到达分离器侧，使得液态水在所述电极催化剂层与所述储水部之间流动。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述气体通道中的所述最下部通道包括在与重力方向交叉的方向上延伸的第一部分和从所述第一部分向上延伸并连接至所述排出歧管的第二部分，所述第一部分用作所述储水部，以及所述第二部分用作所述排水抑制部。3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述第一部分延伸至在所述排出歧管正下方的区域。4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述排水抑制部是被设置在所述最下部通道的壁表面上的疏水膜。5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述排水抑制部是被设置在所述最下部通道中的突出部。6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池，还包括：气体扩散层，所述气体扩散层被设置在所述疏水层与所述分离器之间，其中，所述液态水连接部被设置成从所述电极催化剂层侧穿过所述疏水层和所述气体扩散层到达所述分离器侧，以及所述液态水连接部和所述储水部彼此接触。7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池，其中，所述气体通道在与重力方向交叉的方向上延伸并且包括沿重力方向的多个凹槽部，以及所述多个凹槽部中的设置有所述储水部的凹槽部的截面面积大于其他凹槽部的截面面积。8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池，其中，所述储水部的体积为所述膜电极组件的最大含水量的20％或更高。9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池，其中，所述气体通道在与重力方向交叉的方向上延伸并且包括沿重力方向的多个凹槽部，以及所述液态水连接部在重力方向上的长度比所述多个凹槽部中的与所述液态水连接部相对的一个凹槽部和与所述一个凹槽部相邻的另一凹槽部之间的宽度大。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：松末真明，荒木康，吉田公圣，田中浩己，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP