CN114335592B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池系统具备燃料电池、阴极废气排出流路部、气液分离器以及外罩部件。气液分离器具有主体部、在端部形成有第1阀座的第1排出流路部、以及具有第1阀体和第1驱动部的第1阀装置。外罩部件覆盖气液分离器中的至少第1排出流路部和第1阀座，并具有气体流路形成部，该气体流路形成部在自身与气液分离器之间形成与阴极废气排出流路部连通的气体流路。气体流路构成为向外罩部件流入的阴极废气与第1排出流路部及第1阀座接触，而不与第1驱动部接触。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统。
背景技术
在燃料电池中，被供给阳极反应气体和阴极反应气体，并通过使用了这些反应气体的电化学反应来进行发电。供给至燃料电池的阳极反应气体、例如氢气中的一部分在电化学反应中未被使用并作为阳极废气的一部分被排出。因此，以燃料效率提高为目的，能够采用以下结构，即，在燃料电池的阳极的下游设置气液分离器，将阳极废气分离为气体成分和水，将所获得的气体成分再次向燃料电池供给，并将水排出。在上述的结构中，在低温环境下，用于从气液分离器进行排水的阀装置冻结，可能阻碍排水。因此，提出有在阴极废气的排出配管内配置阀装置并通过从燃料电池排出的高温的阴极废气将阀装置加热的结构(参照日本特开2018-41539)。
日本特开2018-41539所记载的结构是能够防止阀装置的冻结的优异的结构，但在各种环境中使用燃料电池系统，因此从包括气液分离器的阀装置在内的燃料电池系统的耐久性、阀装置的动作的可靠性提高的观点出发，期望进一步的改进。
发明内容
本公开能够作为以下的形态来实现。
根据本公开的一个形态，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备：燃料电池；阴极废气排出流路部，与上述燃料电池连接，供从上述燃料电池排出的阴极废气通过；气液分离器，构成为供从上述燃料电池排出的阳极废气流入，从上述阳极废气中分离水，并具有中空的主体部、第1排出流路部、以及第1阀装置，上述中空的主体部构成为存积水，上述第1排出流路部构成为与上述主体部的下方部分连接，在端部形成第1阀座，并至少将积存于上述主体部的水排出，上述第1阀装置具有构成为能够与上述第1阀座接触并调整上述第1排出流路部的开度的第1阀体、和构成为驱动上述第1阀体的第1驱动部；以及外罩部件，构成为覆盖上述气液分离器中的至少上述第1排出流路部和上述第1阀座，并具有气体流路形成部，该气体流路形成部在自身与上述气液分离器之间形成与上述阴极废气排出流路部连通的气体流路，上述气体流路构成为向上述外罩部件流入的上述阴极废气与上述第1排出流路部及上述第1阀座接触，而不与上述第1驱动部接触。根据该形态的燃料电池系统，由外罩部件形成的气体流路构成为向外罩部件流入的阴极废气与第1排出流路部及第1阀座接触，而不与第1驱动部接触，因此能够通过向外罩部件流入的阴极废气将第1排出流路部和第1阀座加热来抑制阀装置的冻结，并且能够抑制第1驱动部中的腐蚀的加剧。因此，能够提高包括阀装置在内的燃料电池系统的耐久性、阀装置的动作的可靠性。
也可以构成为，在上述形态的燃料电池系统的基础上，上述气液分离器还具有：第2排出流路部，构成为在比上述第1排出流路部靠上方的位置与上述主体部连接，在端部形成第2阀座，并至少将上述阳极废气中的气体成分排出；和第2阀装置，具有构成为能够与上述第2阀座接触并调整上述第2排出流路部的开度的第2阀体、和构成为驱动上述第2阀体的第2驱动部，上述外罩部件还覆盖上述第2排出流路部和上述第2阀座。根据该形态的燃料电池系统，具备在比第1排出流路部靠上方的位置与气液分离器的主体部连接的第2排出流路部，因此即使是由积存于主体部内的水导致第1排出流路部、第1阀座冻结而不能从第1排出流路部排出阳极废气的状况，也能够从第2排出流路部排出阳极废气。另外，外罩部件还覆盖第2排出流路部和第2阀座，因此除了第1排出流路部和第1阀座之外，通过向外罩部件流入的阴极废气，还能够将第2排出流路部和第2阀座加热。
也可以构成为：在上述形态的燃料电池系统的基础上，上述第2排出流路部在比上述主体部中的预先设定好的储水量的液面靠上方的位置与上述主体部连接。根据该形态的燃料电池系统，第2排出流路部在比气液分离器的主体部中的预先决定好的储水量的液面靠上方的位置与主体部连接，因此通过适当地设定该液面的高度，能够抑制存积于主体部的水与第2排出流路部接触来抑制第2排出流路部和第2阀体冻结。
也可以构成为，在上述形态的燃料电池系统的基础上，还具备：阴极反应气体供给装置，构成为向上述燃料电池供给阴极反应气体；阴极反应气体供给流路部，构成为将上述阴极反应气体供给装置与上述燃料电池连接，并将上述阴极反应气体导向上述燃料电池；以及旁通流路部，与上述阴极反应气体供给流路部连接，供从上述阴极反应气体供给装置供给的上述阴极反应气体通过而不经过上述燃料电池，上述外罩部件与上述旁通流路部连接，上述气体流路构成为上述阴极反应气体从上述旁通流路部向上述气体流路流入。根据该形态的燃料电池系统，外罩部件与旁通流路部连接，阴极反应气体从旁通流路部向气体流路流入，因此能够将通过旁通流路部的阴极反应气体导入于外罩部件内，并利用该阴极反应气体来将第1排出流路部和第1阀座进一步加热。除此之外，通过旁通流路部的阴极反应气体是对燃料电池的发电没有贡献的气体，因此能够与燃料电池的发电状况独立且自由地控制其流量。因此，根据该形态的燃料电池系统，能够高精度地控制第1排出流路部和第1阀座的升温。
也可以构成为：在上述形态的燃料电池系统的基础上，上述气体流路构成为从上述旁通流路部向上述外罩部件流入的上述阴极反应气体与上述第1排出流路部、上述第1阀座、上述第2排出流路部以及上述第2阀座接触，而不与上述第1驱动部及上述第2驱动部接触。根据该形态的燃料电池系统，气体流路构成为从旁通流路部向外罩部件流入的阴极反应气体与第1排出流路部、第1阀座、第2排出流路部以及第2阀座接触，而不与第1驱动部及第2驱动部接触，因此能够通过向外罩部件流入的阴极反应气体直接将第1排出流路部、第1阀座、第2排出流路部以及第2阀座加热。
也可以构成为，在上述形态的燃料电池系统的基础上，还具备：阴极反应气体供给装置，构成为向上述燃料电池供给阴极反应气体；阴极反应气体供给流路部，构成为将上述阴极反应气体供给装置与上述燃料电池连接，并将上述阴极反应气体导向上述燃料电池；以及旁通流路部，与上述阴极反应气体供给流路部连接，供从上述阴极反应气体供给装置供给的上述阴极反应气体通过而不经过上述燃料电池，上述旁通流路部在上述阴极废气排出流路部中的比与上述外罩部件的连接部分靠上游侧的位置与上述阴极废气排出流路部连接，上述气体流路构成为：将上述阴极废气与通过上述旁通流路部的上述阴极反应气体混合而流入的混合气体与上述第1排出流路部及上述第1阀座接触，而不与上述第1驱动部接触。根据该形态的燃料电池系统，旁通流路部连接于阴极废气排出流路部中的比与外罩部件的连接部分靠上游侧的位置，气体流路构成为将阴极废气与通过旁通流路部的阴极反应气体混合而流入的混合气体与第1排出流路部及第1阀座接触，而不与第1驱动部接触，因此能够通过向外罩部件流入的混合气体将第1排出流路部和第1阀座加热，并且能够抑制第1驱动部中的腐蚀的加剧。除此之外，通过旁通流路部的阴极反应气体是对燃料电池的发电没有贡献的气体，因此能够与燃料电池的发电状况独立且自由地控制其流量。因此，根据该形态的燃料电池系统，能够高精度地控制第1排出流路部和第1阀座的升温。
也可以构成为：在上述形态的燃料电池系统的基础上，上述气液分离器还具有包围部，该包围部构成为从上述主体部的侧面突出来包围上述第1排出流路部和上述第1阀座，并形成有开口，上述外罩部件与上述包围部相对地配置并以堵塞上述开口的方式与上述气液分离器连接，上述包围部的底面朝向上述外罩部件向下方倾斜。根据该形态的燃料电池系统，包围部的底面朝向外罩部件向下方倾斜，因此能够容易地使从第1排出流路部排出的水朝向外罩部件来从出口部与阴极废气一起排出。
本公开也能够以各种形态来实现。例如，能够以组装有气液分离器和外罩部件的气液分离器组件、搭载了燃料电池系统的车辆等形态来实现。
以下参考附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
图1是表示作为本公开的一个实施方式的燃料电池系统的简要结构的框图。
图2是表示气液分离器组件的外观结构的立体图。
图3是将气液分离器组件分解表示的分解立体图。
图4是气液分离器组件的左视图。
图5是气液分离器组件的右视图。
图6是表示气体流路中的气体的流动的说明图。
图7是气液分离器组件的局部剖视图。
图8是气液分离器组件的局部剖视图。
图9是气液分离器组件的局部剖视图。
图10是气液分离器组件的局部剖视图。
图11是表示第2实施方式中的燃料电池系统的简要结构的框图。
具体实施方式
A.第1实施方式：
A1.系统整体结构：
图1是表示作为本公开的一个实施方式的燃料电池系统10的简要结构的框图。在本实施方式中，燃料电池系统10搭载于车辆，向牵引马达、各种辅机类供给电力。燃料电池系统10具备燃料电池20、阴极侧气体供给排出系统30、阳极侧供给排出系统50、气液分离器组件40以及控制部60。
燃料电池20也被称为“燃料电池组”，具有将可各自成为一个发电元件的多个单电池层叠而成的结构。各单电池被称为所谓的固体高分子型燃料电池，接受作为阳极反应气体的氢气、和作为阴极反应气体的空气的供给而发电。各单电池具有在具有离子传导性的高分子电解质膜的两面配置有电极的膜电极接合体、和夹持膜电极接合体的一对隔离件。在阳极侧中的膜电极接合体与隔离件之间形成有供氢气流通的流路。在阴极侧中的膜电极接合体与隔离件之间形成有供空气流通的流路。
阴极侧气体供给排出系统30将作为阴极反应气体的空气向燃料电池20供给，另外，从燃料电池20排出阴极废气。在阴极废气中包含在各单电池的阴极通过电化学反应生成的生成水。
阴极侧气体供给排出系统30具备阴极反应气体供给流路部302、阴极废气排出流路部304、旁通流路部306、排出流路部308、空气净化器31、作为阴极反应气体供给装置的空气压缩机32、中冷器33、密封阀装置34、调压阀装置35、旁通阀装置36以及消声器37。
阴极反应气体供给流路部302将空气压缩机32与燃料电池20连接，并将空气(压缩空气)导向燃料电池20。阴极废气排出流路部304将燃料电池20与后述的气液分离器组件40中的外罩部件43连接。从燃料电池20排出的阴极废气通过阴极废气排出流路部304。旁通流路部306连接于在阴极反应气体供给流路部302中比中冷器33靠下游侧的位置。另外，旁通流路部306与后述的气液分离器组件40中的外罩部件43连接。从空气压缩机32供给的空气不经由燃料电池20地通过旁通流路部306。排出流路部308与后述的气液分离器组件40中的外罩部件43连接，供从气液分离器组件40排出的气体(后述的混合气体)和水通过。上述的各流路部302～308均由一个或者多个管构成。
空气净化器31在阴极反应气体供给流路部302中配置于比空气压缩机32靠上游侧的位置，并除去向燃料电池20供给的空气中的异物。空气压缩机32配置于空气净化器31的下游侧并且中冷器33的上游侧，将经由空气净化器31流入的空气压缩并排出。中冷器33在阴极反应气体供给流路部302中配置于空气压缩机32的下游侧，将空气压缩机32中的通过隔热压缩升温的空气降温并排出。密封阀装置34在阴极反应气体供给流路部302中配置于比阴极反应气体供给流路部302与旁通流路部306的连接部靠下游侧的位置。密封阀装置34调整向燃料电池20流入的空气的流量。调压阀装置35配置于阴极废气排出流路部304，并调整燃料电池20的阴极侧压力(背压)。旁通阀装置36配置于旁通流路部306，并调整通过旁通流路部306的空气的流量。除了该旁通阀装置36中的开度之外，还控制密封阀装置34的开度和空气压缩机32的转速，由此将向燃料电池20供给的空气的流量、和通过旁通流路部306的空气的流量控制为成为适当的量。
气液分离器组件40将气液分离器41和外罩部件43相互组装而构成。
从燃料电池20排出的阳极废气向气液分离器41流入。在阳极废气中，包括供给至各单电池的氢气中的在电化学反应中未被使用的剩余的氢气、出自在各单电池中透过电解质膜从阴极移动的生成水的水蒸气、同样透过电解质膜从阴极移动的氮气等。气液分离器41使水蒸气从流入的阳极废气中凝结并作为液体水分离，并将该液体水向外部排出。另外，气液分离器41将分离了水后的阳极废气、即主要由氢气构成的气体向外部排出。
气液分离器41具备主体部410、第1排出流路部415、第1阀装置47、第2排出流路部417以及第2阀装置48。
主体部410具有中空的构造，在内部形成有能够存积从阳极废气中分离的所凝结的水的空间。第1排出流路部415与主体部410中的最下部连接，至少将积存于主体部410的水排出。“至少将积存于主体部410的水排出”是指，除了仅将积存于主体部410的水排出的情况之外，还包括在未积存水的情况下仅将存在于主体部410内的阳极废气排出的情况、将积存的水先排出、其后将水分离后的阳极废气排出的情况。此外，第1排出流路部415并不局限于主体部410中的最下部，也可以与下方部分的任一位置连接。第1阀装置47调整第1排出流路部415的开度。第2排出流路部417在比第1排出流路部415靠上方的位置与主体部410连接，至少将阳极废气中的气体成分排出。“至少将阳极废气中的气体成分排出”是指，除了仅将阳极废气中的气体成分排出的情况之外，还包括利用阳极废气的排出的势头将在主体部410中附着于与第2排出流路部417的连接部位的附近的水一同排出的情况。此外，在“阳极废气中的气体成分”中，也能够包含不能使其凝结而未从废气中分离而残存的水蒸气。第2排出流路部417在比主体部410中的预先决定好的储水量的液面靠上方的位置与主体部410连接。在本实施方式中，上述的“预先决定好的储水量”是指在通常运转时在主体部410中所假定的最大储水量。具体而言，如图1所示，设定第2排出流路部417向主体部410的连接位置，使得通过于在主体部410积存最大储水量的状态下车辆在所假定的最大倾斜路行驶，从而在该液面Lv相对于水平方向倾斜的状态下，第2排出流路部417位于比液面Lv的上端高的位置。由此，能够避免在积存于主体部410的水冻结后第2排出流路部417、第2阀装置48(后述的第2阀体481)也一并冻结。此外，在燃料电池系统10中，控制部60在通常运转中定期地使第1阀装置47驱动来开阀，将主体部410内的水从第1排出流路部415排出。而且，上述的“最大储水量”是指在开阀与下一次开阀之间的时间内能够存积的最大的储水量。
外罩部件43覆盖气液分离器41的一部分。更具体而言，外罩部件43覆盖主体部410的外表面的一部分、第1排出流路部415、作为第1阀装置47的结构部的后述的阀体(第1阀体471)、第2排出流路部417、以及作为第2阀装置48的结构部的后述的阀体(第2阀体481)。
外罩部件43具备气体流路形成部434、第1入口部431、第2入口部432以及出口部433。
气体流路形成部434在自身与气液分离器41之间形成气体流路430。在第1入口部431连接有阴极废气排出流路部304。因此，阴极废气从第1入口部431向气体流路430流入。在第2入口部432连接有旁通流路部306。因此，空气从第2入口部432向气体流路430流入。在本实施方式中，在第1入口部431与第2入口部432中，第1入口部431位于下方，第2入口部432位于上方。供阴极废气流入的第1入口部431位于更下方，因此在燃料电池20与外罩部件43之间，能够容易地使阴极废气排出流路部304配置成随着朝向外罩部件43而向下方倾斜。由此，能够容易地将与阴极废气一起排出的液体水从燃料电池20向外部排出。另外，通过旁通流路部306的空气是与阴极废气相比含水量较少的干燥的气体，因此不使水附着于第2排出流路部417和第2阀体481的附近就能够将第2排出流路部417和第2阀体481加热。
如在图1中用粗虚线的箭头表示的那样，在气体流路430中，从第1入口部431流入的阴极废气的气流F1、与从第2入口部432流入的空气的气流F2混合，而形成混合气体的气流F3。在出口部433连接有排出流路部308。出口部433将气体流路430内的混合气体向排出流路部308排出。此外，对于气液分离器组件40的详细结构进行后述。
阳极侧供给排出系统50将作为阳极反应气体的氢气向燃料电池20供给，另外，将阳极废气从燃料电池20排出。
阳极侧供给排出系统50具备阳极反应气体供给流路部501、阳极废气排出流路部502、循环流路部503、罐51、主截止阀装置52、调节器53、喷射器54、以及氢泵55。
阳极反应气体供给流路部501将罐51与燃料电池20连接，并将氢气导向燃料电池20。从燃料电池20排出的阳极废气通过阳极废气排出流路部502。循环流路部503将气液分离器41与阳极反应气体供给流路部501连接，使在气液分离器41中分离水后的阳极废气、即主要由氢气构成的气体返回至阳极反应气体供给流路部501。通过这样的结构，再次利用供给至燃料电池20的氢气中的在各单电池中未用于发电的氢气，从而能够提高燃料效率。
罐51储藏高压的氢气。主截止阀装置52在阳极反应气体供给流路部501中配置于罐51的下游侧，实现氢气从罐51的排出和停止。调节器53在阳极反应气体供给流路部501中配置于主截止阀装置52的下游侧，调整比喷射器54靠上游侧的压力。喷射器54在阳极反应气体供给流路部501中配置于比调节器53靠下游侧、并且比阳极反应气体供给流路部501与循环流路部503的连接部位靠上游侧的位置。喷射器54是根据由控制部60设定的驱动周期、开阀时间电磁驱动的开闭阀，调整向燃料电池20供给的氢气的流量。氢泵55配置于循环流路部503，将从气液分离器41排出的气体向阳极反应气体供给流路部501输送。
控制部60统一控制整个燃料电池系统10。控制部60构成为具备CPU、ROM、RAM的计算机。在本实施方式中，各阀装置构成为电磁阀，并与控制部60电连接。控制部60控制各阀装置的动作。另外，控制部60与空气压缩机32、喷射器54、氢泵55电连接，并控制这些部件。
虽然省略了图示，但燃料电池系统10具备其他的结构元件。具体而言，具备通过冷却介质调整燃料电池20的温度的冷却介质循环系统、将从燃料电池20输出的电力升压、另外根据需要转换为交流电力来供给的电力供给系统等。
A2.气液分离器组件40的详细结构：
图2是表示气液分离器组件40的外观结构的立体图。图3是将气液分离器组件40分解表示的分解立体图。图4是气液分离器组件40的左视图。图5是气液分离器组件40的右视图。在图3中，表示解除了相互的接合的状态的气液分离器41和外罩部件43。在图2～图5中，示出了相互正交的X轴、Y轴以及Z轴。在本实施方式中，“X轴方向”是指统称+X方向和-X方向的方向。同样，“Y轴方向”是指统称+Y方向和-Y方向的方向，“Z轴方向”是指统称+Z方向和-Z方向的方向。此外，后述的图6、图8以及图10所示的X轴、Y轴以及Z轴均与图2～图5所示的X轴、Y轴以及Z轴分别对应。当在车辆搭载有燃料电池系统10的状态下，+Z方向相当于铅垂上方。另外，X-Y平面与水平面平行。
如图2～图5所示，在气液分离器41的-Y方向的侧面部分，通过螺栓452安装有外罩部件43。气液分离器41具有将上部件401与下部件402在Z轴方向上并列配置并通过螺栓451将这两个部件401、402相互紧固的简要构造。上部件401构成主体部410的上方侧，下部件402构成主体部410的下方侧。
在上部件401的顶部部分设置有突起部463。在突起部463形成有排出口412和固定孔464。在排出口412连接有在图2～图5中省略的循环流路部503。在固定孔464的内部设置有未图示的螺母，未图示的螺栓与该螺母扭固来将气液分离器组件40固定于规定位置。
如图2、图3、图5所示，在下部件402设置有突起部461。在突起部461形成有流入口411和固定孔462。在流入口411连接有阳极废气排出流路部502。在固定孔462的内部设置有未图示的螺母，未图示的螺栓与该螺母扭固来将气液分离器组件40固定于规定位置。
如图4所示，在下部件402的-X方向的侧面部分，在上方侧安装有第2阀装置48。另外，如图5所示，在下部件402的+X方向的侧面部分，在下方侧安装有第1阀装置47。
如图3～图5所示，在下部件402的-Y方向的侧面部分形成有包围部42。包围部42配置成从主体部410(下部件402)的侧面向-Y方向突出。包围部42具备在-Y方向的端部形成有开口428的杯状的空间形成部427、和形成于开口428的周围的凸缘部429。空间形成部427与外罩部件43的气体流路形成部434一起形成气体流路430。空间形成部427的+Y方向的外表面与下部件402的-Y方向的侧面接连。空间形成部427的内壁面具备底面421、左侧面422、右侧面423、以及顶部面424。如后述的那样，底面421朝向外罩部件43向下方倾斜。左侧面422设置有随着朝向-Z方向而位于+X方向的倾角。在空间形成部427形成有第1开口425和第2开口426。第1开口425配置于底面421、右侧面423以及顶部面424交叉的部分中的下方。第1排出流路部415和第1阀装置47具有的阀体(后述的第1阀体471)从第1开口425露出。第2开口426配置于左侧面422与顶部面424交叉的部分中的上方。第2排出流路部417和第2阀装置48具有的阀体(后述的第2阀体481)从第2开口426露出。因此，可以说包围部42包围露出的这些结构元件、即、第1排出流路部415及第1阀体471、和第2排出流路部417及第2阀体481。
如图2～图5所示，气体流路形成部434位于外罩部件43中的中央部，并具有以Y轴方向为深度方向并向+Y方向开口的器皿状的外观形状。气体流路形成部434的开口在Y轴方向上与包围部42的开口428接合来相互封闭。由此，形成被外罩部件43的内壁面、和空间形成部427的内壁面包围的气体流路430。气体流路430构成为向外罩部件43流入的阴极废气和阴极反应气体与第1排出流路部415、后述的第1阀体471、第2排出流路部417以及后述的第2阀体481接触，而不与后述的第1驱动部479及第2驱动部489接连。
在气体流路形成部434的-X方向并且-Z方向的端部连接有第1入口部431的一端。同样，在气体流路形成部434，在-X方向并且+Z方向的端部连接有第2入口部432的一端，在+X方向并且-Z方向的端部连接有出口部433的一端。第1入口部431、第2入口部432、出口部433都具有圆筒形的外观形状。如图4和图5所示，在本实施方式中，在第1入口部431的直径、第2入口部432的直径、以及出口部433的直径中，第2入口部432的直径最小，第1入口部431的直径第二小，出口部433的直径最大。如图2和图3所示，在气体流路形成部434中的X轴方向的大致中央形成有屈曲部435。屈曲部435遍及气体流路形成部434的Z轴方向整体朝向气液分离器41屈曲为凸起。以包围气体流路形成部434的开口的方式形成有凸缘部439。该凸缘部439与上述的包围部42的凸缘部429在Y轴方向上相对地配置，通过螺栓452将这些紧固，由此将外罩部件43安装于气液分离器41(包围部42)。
A3.气体流路430中的气体的流动：
图6是表示气体流路430中的气体的流动的说明图。在图6中，为了便于说明，仅示出了从气液分离器组件40取下了外罩部件43的状态、即、气液分离器组件40中的气液分离器41。
从第1入口部431向气体流路430流入的阴极废气的气流F1、与从第2入口部432流入的空气(通过了旁通流路部306的空气)的气流F2在气体流路430中汇合而成为混合气体的气流F3，并被从出口部433排出。这里，第2入口部432设置于气体流路形成部434中的-X方向并且+Z方向的端部，因此在空间形成部427，气流F2位于设置于-X方向并且+Z方向的端部的第2开口426的附近。因此，气流F2直接与向第2开口426露出的第2排出流路部417及后述的第2阀体481接触。因此，通过直接与比较高温的阴极废气接触，由此将包括后述的第2阀座418在内的第2排出流路部417和后述的第2阀体481升温。
通过了第2开口426的附近的气流F2沿着空间形成部427的内壁面(左侧面422)朝向下方。这里，第1入口部431设置于气体流路形成部434中的-X方向并且-Z方向的端部，因此气流F1在气体流路430中的-Z方向侧会沿着+X方向，另外，如后述那样沿着+Y方向。因此，气流F1与下降过来的气流F2合流，形成气流F3。即，气流F3是阴极废气、与旁通了燃料电池20的空气的混合气体的流动。而且，气流F3位于第1开口425的附近。因此，气流F3直接与从第1开口425露出的第1排出流路部415和后述的第1阀体471接触。因此，通过直接与包括比较高温的阴极废气在内的混合气体接触，从而将包括后述的阀座416在内的第1排出流路部415和后述的第1阀体471升温。此外，在混合气体中包含有空气，该空气虽然通过空气压缩机32的隔热压缩而升温，其后被中冷器33冷却，但温度比冰点高。因此，同直接与阴极废气接触相比，第1排出流路部415和第1阀体471与更多的气体接触而获得更多的热量，因此更容易升温。
图7是气液分离器组件40的局部剖视图。在图7中，示出了沿着图5所示的VII-VII剖面线的剖面。如图7所示，在气液分离器41(下部件402)的内侧设置有过滤器装置419。在比该过滤器装置419靠下方的端部，设置有在Z轴方向上延伸的筒状的下端部413。第1排出流路部415与该下端部413的侧方连通，并具有在X轴方向上延伸的筒状的外观形状。如图7所示，第1排出流路部415的端部构成为第1阀座416。通过后述的第1阀体471与阀座416接连，从而将第1排出流路部415封闭。
第1阀装置47具备：第1阀体471，构成为能够与第1阀座416接触来开闭第1排出流路部415的+X方向的端部的开口；和第1驱动部479，驱动第1阀体471。第1驱动部479具备在自身的-X方向的端部接合有第1阀体471的按压销472、柱塞473、线圈474、定子铁心475、轭部476、以及连接器部477。第1阀装置47是常闭式的阀装置，在未被通电的状态下，第1阀体471与第1阀座416接连来堵塞第1排出流路部415的端部开口。在本实施方式中，第1阀体471由树脂构成。通过经由与连接器部477连接的未图示的电缆向线圈474供给电流而产生磁力，由此，形成通过轭部476、定子铁心475、柱塞473的磁束的流动(磁电路)。这样，按压销472克服弹簧的作用力而被向柱塞473磁吸引，第1阀体471也朝向柱塞473移动，从而开启第1排出流路部415的端部开口。
如图7所示，在第1阀装置47，向第1开口425露出的部分仅是由树脂构成的第1阀体471。因此，包括线圈474等金属制结构部件在内的第1驱动部479不向第1开口425露出。因此，能够抑制混合气体的气流F3直接触碰到第1驱动部479来抑制第1驱动部479中的腐蚀的加剧。
如图7所示，从第1入口部431流入的阴极废气的气流F1最初向+X方向进入，但通过气体流路形成部434的屈曲部435，以朝向气液分离器41(包围部42)的方式(向+Y方向)引导。因此，其后与气流F2合流而获得的气流F3朝向第1开口425。因此，气流F3直接与在第1开口425露出的第1排出流路部415及第1阀体471接触。
此外，如图7所示，在包围部42，内壁面具有随着从开口428朝向第1开口425而末端变细那样的构造。由此，能够使更多的量的混合气体朝向第1开口425，从而能够将向第1开口425露出的第1排出流路部415和第1阀体471更快速地升温。
图8是气液分离器组件40的局部剖视图。在图8中，示出了沿着图4所示的VIII-VIII剖面线的剖面。第2阀装置48具有与第1阀装置47相同的结构。具体而言，第2阀装置48具备：第2阀体481，构成为能够与第2阀座418接触来开闭第2排出流路部417的-X方向的端部的开口；和第2驱动部489，驱动第2阀体481。第2驱动部489具备在自身的+X方向的端部接合有第2阀体481的按压销482、柱塞483、线圈484、定子铁心485以及轭部486。第2阀装置48与第1阀装置47相同，是常闭式的阀装置，在未被通电的状态下，树脂制的第2阀体481与第2阀座418接连来堵塞第2排出流路部417的端部开口。通过经由与未图示的连接器部连接的未图示的电缆向线圈484供给电流而产生磁力，由此，形成通过轭部486、定子铁心485、柱塞483的磁束的流动(磁电路)。这样，按压销482克服弹簧的作用力而被向柱塞483磁吸引，第2阀体481也朝向柱塞483移动，从而开启第2排出流路部417的端部开口。
如图8所示，在第2阀装置48中，向第2开口426露出的部分仅是由树脂构成的第2阀体481。因此，包括线圈484等金属制结构部件在内的第2驱动部489不向第2开口426露出。因此，能够抑制空气的气流F2直接触碰到第2驱动部489来抑制第2驱动部489中的腐蚀的加剧。
此外，如图8所示，在包围部42，内壁面具有随着从开口428朝向第2开口426而尖端变细那样的构造。由此，能够使更多的量的空气朝向第2开口426，从而能够将向第2开口426露出的第2排出流路部417和第2阀体481更快速地升温。
图9是气液分离器组件40的局部剖视图。在图9中，示出了沿着图2所示的IX-IX剖面线的剖面。此外，在图9中，为了便于说明，用虚线示出了出口部433的位置。
如图9所示，包围部42的底面421朝向外罩部件43向下方倾斜。在本实施方式中，倾斜角度θ1是10度。此外，并不局限于10度，也可以是任意的角度。通过这样的结构，能够使从第1排出流路部415排出的水朝向外罩部件43。此外，在本实施方式中，气体流路形成部434的底面也相同地倾斜。而且，出口部433与气体流路形成部434中的-Y方向并且-Z方向的端部连接，因此能够容易地将从包围部42朝向外罩部件43流动的水与混合气体一起从出口部433排出。
图10是气液分离器组件40的局部剖视图。在图10中，示出了沿着图2所示的X-X剖面线的剖面。如图10所示，包围部42的左侧面422在第2开口426的附近随着朝向外罩部件43而向下方倾斜。在本实施方式中，倾斜角度θ2是10度。此外，并不局限于10度，也可以是任意的角度。通过这样的结构，能够使从第2开口426排出的水朝向外罩部件43。此外，作为从第2开口426排出的水，例如是在燃料电池系统10的停止中在第2排出流路部417的附近结露的水，相当于与从第2排出流路部417排出的气体一起被吹飞而排出的水等。
根据以上说明的第1实施方式的燃料电池系统10，由外罩部件43形成的气体流路430构成为向外罩部件43流入的阴极废气与第1排出流路部415及第1阀座416接触，而不与第1驱动部479接触，因此能够通过向外罩部件43流入的阴极废气将第1排出流路部415和第1阀座416加热来抑制第1阀装置47的冻结，并且能够抑制第1驱动部479中的腐蚀的加剧。因此，能够提高包括第1阀装置47在内的燃料电池系统10的耐久性、第1阀装置47的动作的可靠性。
另外，燃料电池系统10具备在比第1排出流路部415靠上方的位置与气液分离器41的主体部410连接的第2排出流路部417，因此即使是由积存于主体部410内的水导致第1排出流路部415、第1阀座416冻结而不能从第1排出流路部415排出阳极废气的状况，也能够从第2排出流路部417排出阳极废气。另外，外罩部件43还覆盖第2排出流路部417和第2阀座418，因此通过向外罩部件43流入的阴极废气，除了第1排出流路部415和第1阀座416之外，还能够将第2排出流路部417和第2阀座418加热。
另外，第2排出流路部417在比气液分离器41的主体部410中的所假定的最大储水量的液面Lv靠上方的位置与主体部410连接，因此能够抑制存积于主体部410的水与第2排出流路部417接触来抑制第2排出流路部417和第2阀座418冻结。
另外，外罩部件43与旁通流路部306连接，阴极反应气体从旁通流路部406向气体流路430流入，因此能够将通过旁通流路部406的阴极反应气体导入于外罩部件43内，并利用该阴极反应气体来将第1排出流路部415和第1阀座416进一步加热。除此之外，通过旁通流路部306的阴极反应气体是对燃料电池20的发电没有贡献的气体，因此能够与燃料电池20的发电状况独立且自由地控制其流量。因此，根据本实施方式的燃料电池系统10，能够高精度地控制第1排出流路部415和第1阀座416的升温。
另外，气体流路430构成为：从旁通流路部306向外罩部件43流入的阴极反应气体与第1排出流路部415、第1阀座416、第2排出流路部417以及第2阀座418接触，而不与第1驱动部479及第2驱动部489接触，因此能够通过向外罩部件43流入的阴极反应气体直接地将第1排出流路部415、第1阀座416、第2排出流路部417以及第2阀座418加热。
另外，包围部42的底面421朝向外罩部件43向下方倾斜，因此能够容易地使从第1排出流路部415排出的水朝向外罩部件43来从出口部433与阴极废气一起排出。
另外，第1排出流路部415与排出流路部308之间不是通过流路部而是通过外罩部件43和包围部42连接。除此之外，温度比较高的阴极废气和通过旁通流路部306的空气向由外罩部件43和包围部42形成的气体流路430流入。由此，根据燃料电池系统10，无需为了避免从第1排出流路部415排出的水在朝向排出流路部308的中途冻结而设置加热器等加热单元。因此，能够实现燃料电池系统10的小型化，另外，能够抑制燃料电池系统10的构建成本和运用成本。
B.第2实施方式：
图11是表示第2实施方式中的燃料电池系统10a的简要结构的框图。第2实施方式的燃料电池系统10a在代替外罩部件43而具备外罩部件43a这一点、和旁通流路部306代替外罩部件43而与阴极废气排出流路部304连接这一点上与第1实施方式的燃料电池系统10不同。第2实施方式的燃料电池系统10a中的其他的结构与第1实施方式的燃料电池系统10相同，因此对相同的结构标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
外罩部件43a在省略了第2入口部432这一点上与第1实施方式的外罩部件43不同。外罩部件43a中的其他的结构与外罩部件43相同，因此对相同的结构标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
旁通流路部306在阴极废气排出流路部304中的、比与第1入口部431的连接部分靠上游侧的位置与阴极废气排出流路部304连接。因此，将阴极废气、与向旁通流路部306流入的空气混合而成的混合气体从第1入口部431向气体流路430流入。因此，如图11所示，在气体流路430，从第1入口部431产生混合气体的气流F3。
以上说明的第2实施方式的燃料电池系统10a具有与第1实施方式的燃料电池系统10相同的效果。除此之外，旁通流路部306与阴极废气排出流路部304中的比与外罩部件43的连接部分靠上游侧的位置连接，气体流路430构成为：将阴极废气与通过旁通流路部306的阴极反应气体混合而流入的混合气体与第1排出流路部415、第1阀座416、第2排出流路部417以及第2阀座418接触，而不与第1驱动部479及第2驱动部489接触，因此能够通过向外罩部件43流入的混合气体将第1排出流路部415、第1阀座416、第2排出流路部417以及第2阀座418加热，并且能够抑制第1驱动部479和第2驱动部489中的腐蚀的加剧。除此之外，通过旁通流路部306的阴极反应气体是对燃料电池20的发电没有贡献的气体，因此能够与燃料电池20的发电状况独立且自由地控制其流量。因此，根据第2实施方式的燃料电池系统10a，能够高精度地控制第1排出流路部415、第1阀座416、第2排出流路部417以及第2阀座418的升温。
C.其他的实施方式：
(C1)在各实施方式的气液分离器41中，也可以省略第2排出流路部417和第2阀装置48。在该结构中，也能够利用阴极废气和通过旁通流路部306的空气来将第1排出流路部415和第1阀座416加热。
(C2)在各实施方式中，第2排出流路部417在比主体部410中的所假定的最大储水量的液面、特别是车辆在所假定的最大倾斜路行驶的情况下的液面Lv的上端靠上方的位置与主体部410连接，但本公开并不限定于此。例如，第2排出流路部417也可以在主体部410中的比车辆在平地行驶的情况下的最大存积量的液面靠上方的位置与主体部410连接。另外，第2排出流路部417也可以配置于主体部410中的比最大存积量的液面靠下方的位置。
(C3)在各实施方式中，也可以省略旁通流路部306。在该结构中，也能够利用经由阴极废气排出流路部304从第1入口部431向气体流路430流入的阴极废气来将第1排出流路部415、第1阀座416、第2排出流路部417以及第2阀座418加热。此外，在该结构中，也可以在外罩部件43省略第2入口部432。
(C4)在各实施方式中，气体流路形成部434作为气体流路430形成了使从第2入口部432流入的空气与第1排出流路部415、第1阀体471、第2排出流路部417、及第2阀体481分别接触那样的流路，但本公开并不限定于此。例如，也可以构成为：使从第2入口部432流入的空气与从第1入口部431流入的阴极废气相同地与第1排出流路部415及第1阀体471直接接触，而不与第2排出流路部417及第2阀体481直接接触。在该结构中，也能够通过气体流路形成部434的内壁面、空间形成部427的内壁面中的辐射热来将第2排出流路部417和第2阀体481加热。
(C5)在各实施方式中，包围部42的底面421朝向外罩部件43向下方倾斜，但本公开并不限定于此。底面421可以与水平面平行，也可以朝向外罩部件43向上方倾斜。
(C6)在第1实施方式中，在第1入口部431和第2入口部432中，第1入口部431位于下方，第2入口部432位于上方，但也可以取而代之，第1入口部431位于上方，第2入口部432位于下方。根据该结构，经由阴极废气排出流路部304从第1入口部431向气体流路430流入的阴极废气通过第2开口426的附近，因此除了第1排出流路部415和第1阀体471之外，还能够使阴极废气与第2排出流路部417及第2阀体481直接接触。而且，阴极废气从燃料电池20的内部排出，因此是高温，因此根据上述结构，起到能够更高效地将第2排出流路部417和第2阀体481加热来提高升温速度这一效果。
(C7)在各实施方式中，气体流路形成部434具备屈曲部435，但也可以省略屈曲部435。另外，也可以代替屈曲部435、或者在屈曲部435的基础上，在第2开口426的附近设置屈曲部。也可以构成为：设置于第2开口426的附近的屈曲部与屈曲部435相同，屈曲成起到使在第1实施方式中从第2入口部432流入的空气、在第2实施方式中从第1入口部431流入的混合气体分别朝向第2开口426的引导的作用。根据该结构，能够更高效地将向第2开口426露出的第2排出流路部417和第2阀座418加热来使升温速度提高。
(C8)在各实施方式中，燃料电池系统10、10a作为用于向牵引马达、辅机供给电力的系统搭载于车辆来使用，但本公开并不限定于此。例如，也可以代替车辆而搭载于船舶、飞机等需要驱动用电源的其他的任意种类的移动体来使用。另外，也可以作为安放型电源来使用。另外，构成燃料电池20的各单电池是固体高分子型燃料电池，但也可以是磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池等各种种类的燃料电池。
(C9)在各实施方式中，第1阀体471也可以不向第1开口425露出。另外，第2阀体481也可以不向第2开口426露出。在这些结构中，通过第1排出流路部415和阀座416向第1开口425露出，也能够抑制这些的冻结。同样，通过第2排出流路部417和第2阀座418向第2开口426露出，也能够抑制这些的冻结。
本公开并不局限于上述各实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或者全部，或者为了实现上述的效果的一部分或者全部，与在发明的概要栏中记载的各方式中的技术特征对应的各实施方式中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要未说明为其技术特征在本说明书中是必须的，就能够适当地删除。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统具备：
燃料电池；
阴极废气排出流路部，与所述燃料电池连接，供从所述燃料电池排出的阴极废气通过；
气液分离器，构成为供从所述燃料电池排出的阳极废气流入，从所述阳极废气中分离水，并具有中空的主体部、第1排出流路部、以及第1阀装置，所述中空的主体部构成为存积所述水，所述第1排出流路部构成为与所述主体部的下方部分连接，在端部形成第1阀座，并至少将积存于所述主体部的水排出，所述第1阀装置具有构成为能够与所述第1阀座接触并调整所述第1排出流路部的开度的第1阀体、和构成为驱动所述第1阀体的第1驱动部；以及
外罩部件，构成为覆盖所述气液分离器中的至少所述第1排出流路部和所述第1阀座，并具有气体流路形成部，该气体流路形成部在自身与所述气液分离器之间形成与所述阴极废气排出流路部连通的气体流路，
其中，所述气体流路构成为向所述外罩部件流入的所述阴极废气与所述第1排出流路部及所述第1阀座接触，而不与所述第1驱动部接触。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述气液分离器还具有：
第2排出流路部，构成为在比所述第1排出流路部靠上方的位置与所述主体部连接，在端部形成第2阀座，并至少将所述阳极废气中的气体成分排出；和
第2阀装置，具有构成为能够与所述第2阀座接触并调整所述第2排出流路部的开度的第2阀体、和构成为驱动所述第2阀体的第2驱动部，
所述外罩部件构成为还覆盖所述第2排出流路部和所述第2阀座。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述第2排出流路部在比所述主体部中的预先设定好的储水量的液面靠上方的位置与所述主体部连接。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备：
阴极反应气体供给装置，构成为向所述燃料电池供给阴极反应气体；
阴极反应气体供给流路部，构成为将所述阴极反应气体供给装置与所述燃料电池连接，并将所述阴极反应气体导向所述燃料电池；以及
旁通流路部，与所述阴极反应气体供给流路部连接，供从所述阴极反应气体供给装置供给的所述阴极反应气体通过而不经过所述燃料电池，
其中，所述外罩部件与所述旁通流路部连接，
所述气体流路构成为所述阴极反应气体从所述旁通流路部向所述气体流路流入。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备：
阴极反应气体供给装置，构成为向所述燃料电池供给阴极反应气体；
阴极反应气体供给流路部，构成为将所述阴极反应气体供给装置与所述燃料电池连接，并将所述阴极反应气体导向所述燃料电池；以及
旁通流路部，与所述阴极反应气体供给流路部连接，供从所述阴极反应气体供给装置供给的所述阴极反应气体通过而不经过所述燃料电池，
其中，所述外罩部件与所述旁通流路部连接，
所述气体流路构成为所述阴极反应气体从所述旁通流路部向所述气体流路流入，
所述气体流路构成为：从所述旁通流路部向所述外罩部件流入的所述阴极反应气体与所述第1排出流路部、所述第1阀座、所述第2排出流路部以及所述第2阀座接触，而不与所述第1驱动部及所述第2驱动部接触。
6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备：
阴极反应气体供给装置，构成为向所述燃料电池供给阴极反应气体；
阴极反应气体供给流路部，构成为将所述阴极反应气体供给装置与所述燃料电池连接，并将所述阴极反应气体导向所述燃料电池；以及
旁通流路部，与所述阴极反应气体供给流路部连接，供从所述阴极反应气体供给装置供给的所述阴极反应气体通过而不经过所述燃料电池，
其中，所述外罩部件与所述旁通流路部连接，
所述气体流路构成为所述阴极反应气体从所述旁通流路部向所述气体流路流入，
所述气体流路构成为：从所述旁通流路部向所述外罩部件流入的所述阴极反应气体与所述第1排出流路部、所述第1阀座、所述第2排出流路部以及所述第2阀座接触，而不与所述第1驱动部及所述第2驱动部接触。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备：
阴极反应气体供给装置，构成为向所述燃料电池供给阴极反应气体；
阴极反应气体供给流路部，构成为将所述阴极反应气体供给装置与所述燃料电池连接，并将所述阴极反应气体导向所述燃料电池；以及
旁通流路部，与所述阴极反应气体供给流路部连接，供从所述阴极反应气体供给装置供给的所述阴极反应气体通过而不经过所述燃料电池，
其中，所述旁通流路部在所述阴极废气排出流路部中的比与所述外罩部件的连接部分靠上游侧的位置与所述阴极废气排出流路部连接，
所述气体流路构成为：所述阴极废气与通过所述旁通流路部的所述阴极反应气体混合而流入的混合气体与所述第1排出流路部及所述第1阀座接触，而不与所述第1驱动部接触。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述气液分离器还具有包围部，该包围部构成为从所述主体部的侧面突出来包围所述第1排出流路部和所述第1阀座，并形成有开口，
所述外罩部件与所述包围部相对地配置并以堵塞所述开口的方式与所述气液分离器连接，
所述包围部的底面朝向所述外罩部件向下方倾斜。
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