JP6907255B2 - 燃料電池システム及び気液分離器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び気液分離器に関する。

例えば、特許文献１には、インジェクタから噴射された燃料ガスを燃料電池スタックに導く導入配管と、燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器とを備えた燃料電池システムが開示されている。導入配管には、気液分離器内の燃料排ガスを導入配管に循環させるための循環配管が連結されている。

特開２０１８−７３５６４号公報

上述した燃料電池システムでは、導入配管と気液分離器とが循環配管によって連結されているため、燃料電池システムの部品点数が多くなるとともに大型化するという問題がある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、部品点数を低減することができるとともに小型化を図ることができる燃料電池システム及び気液分離器を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、燃料電池スタックにインジェクタから噴射された燃料ガスを導くための導入配管と、前記燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器と、を備えた燃料電池システムであって、前記気液分離器は、前記導入配管の下側に直接連結され、前記気液分離器と前記導入配管との連結部分には、前記気液分離器内と前記導入配管とを互いに連通する連通路が形成されている、燃料電池システムである。

本発明の他の態様は、インジェクタから導入配管内の流路に噴射された燃料ガスを燃料電池スタックに導く燃料電池システムに搭載されて前記燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器であって、前記燃料電池スタックには、積層された複数の発電セルのそれぞれに燃料ガスを導く燃料ガス入口連通孔と、前記複数の発電セルのそれぞれから導出された燃料排ガスを排出する第１燃料ガス出口連通孔及び第２燃料ガス出口連通孔と、が設けられ、前記気液分離器は、気液分離室を備えたベース部と、前記ベース部の上部に設けられ、前記導入配管の下側に直接連結される連結部と、を備え、前記ベース部には、前記第１燃料ガス出口連通孔から排出された燃料排ガスを前記ベース部内に導入する第１導入口と、前記第２燃料ガス出口連通孔から排出された燃料排ガスを前記ベース部内に導入する第２導入口と、が設けられている、気液分離器である。

本発明によれば、気液分離器を導入配管の下側に直接連結しているため、気液分離器と導入配管とを繋ぐ循環配管が不要になる。このため、部品点数を低減するとともに小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 発電セルの分解斜視図である。 燃料電池スタック、燃料ガス供給装置及び気液分離器の一部断面平面図である。 図４Ａは、図３のＩＶＡ矢視図であり、図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ断面図である。 弁部材の動作説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池システム及び気液分離器について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示す燃料電池システム１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載されるものである。ただし、燃料電池システム１０は、定置型としても用いることができる。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、燃料電池スタック１２から排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器１６とを備える。なお、燃料電池システム１０は、酸化剤ガスを供給する図示しない酸化剤ガス供給装置と、冷却媒体を供給する図示しない冷却媒体供給装置とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１８が水平方向（図２の矢印Ａ方向）に積層されてなるセル積層体２０を備える。セル積層体２０の積層方向一端には、ターミナルプレート２２ａ、インシュレータ２４ａ及びエンドプレート２６ａが外方に向かって順次配設される。セル積層体２０の積層方向他端には、ターミナルプレート２２ｂ、インシュレータ２４ｂ及びエンドプレート２６ｂが外方に向かって順次配設される。インシュレータ２４ａ、２４ｂは、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂとエンドプレート２６ａ、２６ｂとを電気的に絶縁する絶縁プレートである。

図２に示すように、各発電セル１８の長辺方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の縁部）には、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１、第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２が上方から下方に向かってこの順番で設けられている。

各発電セル１８の長辺方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の縁部）には、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１、第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１、燃料ガス入口連通孔３２ａ、第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２及び第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２が上方から下方に向かってこの順番で設けられている。

酸化剤ガス入口連通孔２８ａは、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給する。第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１及び第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２のそれぞれは、酸化剤ガスを排出する。

第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１及び第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２のそれぞれは、純水、エチレングリコール、オイル等の冷却媒体を供給する。第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１及び第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２のそれぞれは、冷却媒体を排出する。

燃料ガス入口連通孔３２ａは、水素含有ガス等の燃料ガスを供給する。第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２のそれぞれは、燃料ガス（燃料排ガス）を排出する。

酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１、第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２、第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１、第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２、第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１、第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２、燃料ガス入口連通孔３２ａ、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２のそれぞれは、セル積層体２０、インシュレータ２４ｂ及びエンドプレート２６ｂを貫通するように延在している（図１〜図３参照）。

換言すれば、図３に示すように、エンドプレート２６ｂの長辺方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の縁部）には、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１、第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２が上方から下方に向かってこの順番で設けられている。

エンドプレート２６ｂの長辺方向での他端縁部（矢印Ｂ２方向の縁部）には、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１、第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１、燃料ガス入口連通孔３２ａ、第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２及び第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２が上方から下方に向かってこの順番で設けられている。

つまり、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１は、エンドプレート２６ｂの長手方向の一端縁部における上部に設けられている。第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２は、エンドプレート２６ｂの長手方向の一端縁部における下部に設けられている。第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２は、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１よりも下方に位置する。燃料ガス入口連通孔３２ａは、エンドプレート２６ｂの長手方向の他端縁部における上下方向の略中央に設けられている。燃料ガス入口連通孔３２ａは、第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２よりも上方に位置するとともに第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１よりも下方に位置する。

酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１、第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２、第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１、第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２、第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１、第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２、燃料ガス入口連通孔３２ａ、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２のそれぞれは、平面視で四角形状に形成されているが、平面視で円形状又は多角形状（四角形状以外）に形成されていてもよい。

酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１、第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２、第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１、第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２、第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１、第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２、燃料ガス入口連通孔３２ａ、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２の数、大きさ及び位置は、任意に変更可能である。燃料電池システム１０では、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２のいずれか一方を省略してもよい。

図１及び図２に示すように、発電セル１８は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ３４」という）と、樹脂枠付きＭＥＡ３４を挟持する第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８とを備える。第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。互いに隣接する第１セパレータ３６と第２セパレータ３８とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合される。

樹脂枠付きＭＥＡ３４は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ４０」という）と、ＭＥＡ４０の外周部に接合されるとともに外周部を周回する樹脂枠部材４２（図２参照）とを備える。ＭＥＡ４０は、電解質膜４４と、電解質膜４４の一方の面４４ａに設けられたアノード電極４６と、電解質膜４４の他方の面４４ｂに設けられたカソード電極４８とを有する。

電解質膜４４は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４４は、アノード電極４６及びカソード電極４８に挟持される。電解質膜４４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

発電セル１８は、樹脂枠部材４２を用いることなく、電解質膜４４を外方に突出させて形成してもよい。また、外方に突出した電解質膜４４の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

図２において、第１セパレータ３６の樹脂枠付きＭＥＡ３４に向かう面３６ａには、電極面に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路５０が設けられる。酸化剤ガス流路５０の矢印Ｂ方向の一端は、酸化剤ガス入口連通孔２８ａに流体的に連通し、酸化剤ガス流路５０の矢印Ｂ方向の他端は、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１及び第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２に流体的に連通する。

第２セパレータ３８の樹脂枠付きＭＥＡ３４に向かう面３８ａには、電極面に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路５２が設けられる。燃料ガス流路５２の矢印Ｂ方向の一端は、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２に流体的に連通し、燃料ガス流路５２の矢印Ｂ方向の他端は、燃料ガス入口連通孔３２ａに流体的に連通する。

溶接又はろう付けにより互いに接合される第１セパレータ３６の面３６ｂと第２セパレータ３８の面３８ｂとの間には、第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１及び第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２と第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１及び第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２とに流体的に連通する冷却媒体流路５４が形成される。冷却媒体流路５４は、酸化剤ガス流路５０が形成された第１セパレータ３６の裏面形状と、燃料ガス流路５２が形成された第２セパレータ３８の裏面形状とが重なり合って形成される。

図１に示すように、燃料ガス供給装置１４は、燃料ガス供給路６０、インジェクタ装置６２、導入配管６４及び移送装置６６を有する。燃料ガス供給路６０は、図示しない燃料ガスタンクの燃料ガスをインジェクタ装置６２に供給する。

図３に示すように、インジェクタ装置６２は、燃料ガス供給路６０から供給された燃料ガスを導入配管６４内に噴射する複数（図３の例では２つ）のインジェクタ６８を有する。インジェクタ装置６２は、エンドプレート２６ｂの燃料ガス入口連通孔３２ａよりも上方に位置している。インジェクタ装置６２は、図示しない支持部材を介してエンドプレート２６ｂに対して固定されている。

２つのインジェクタ６８は、互いに並列に設けられている。インジェクタ６８の数、形状、大きさ等は、燃料電池スタック１２に供給する燃料ガスの流量等に応じて適宜変更可能である。各インジェクタ６８は、その軸線Ａｘが水平線に対して所定の傾斜角度θ１だけ傾斜するように設けられている。傾斜角度θ１は、例えば、４０°以上９０°未満であることが好ましい。

導入配管６４は、インジェクタ６８から噴射（吐出）された燃料ガスを燃料ガス入口連通孔３２ａ（燃料電池スタック１２）に導く。導入配管６４の下側（下部）には、気液分離器１６が直接連結されている。導入配管６４内の流路６４ａの内面のうち流路６４ａの中心線ＣＬの下方に位置する下側部位７０には、導入配管６４内の流路６４ａと気液分離器１６内とを連通させるための開口部７２が形成されている。

導入配管６４は、インジェクタ装置６２からエンドプレート２６ｂの他端側（矢印Ｂ２方向）に向かって斜め下方に延出している。換言すれば、導入配管６４内の流路６４ａの中心線ＣＬは、下流側に向かって下方に傾斜している。つまり、導入配管６４の内面の下側部位７０は、下流側に向かって下方に傾斜している。すなわち、導入配管６４の内面の下側部位７０における開口部７２よりも上流側は、下流側に向かって下方に傾斜している。これにより、導入配管６４内の開口部７２よりも上流側の水を重力の作用によって下側部位７０に沿って開口部７２まで流し、開口部７２から気液分離器１６内に導出することができる。

導入配管６４の内面の下側部位７０の水平線に対する傾斜角度θ２は、車両最大傾斜角度以上であって、例えば、４０°以上であることが好ましい。この場合、導入配管６４内の開口部７２よりも上流側の水を開口部７２に効率的に導くことができる。ただし、傾斜角度θ２は、任意に設定可能である。導入配管６４の延出端部には、燃料ガス入口連通孔３２ａに連通する連通孔７４が形成されている。

図１及び図３に示すように、移送装置６６は、気液分離器１６内の燃料排ガスを導入配管６４に移送するためのものである。移送装置６６は、導入配管６４内の流路６４ａに配置されて負圧によって気液分離器１６内の燃料排ガスを導入配管６４内に吸い込むエジェクタ７６を含む。エジェクタ７６は、導入配管６４の流路６４ａにおいて開口部７２よりも下流側に位置している。

移送装置６６は、エジェクタ７６ではなく、気液分離器１６内の燃料排ガスを導入配管６４内の流路６４ａに導入するポンプを含んでいてもよい。また、移送装置６６は、上記ポンプとエジェクタ７６の両方を含んでいてもよい。

気液分離器１６は、導入配管６４の下側に直接連結されるとともにねじ部材等の図示しない締結部材によってエンドプレート２６ｂの端面に固定されている。気液分離器１６は、導入配管６４から下方に向かってエンドプレート２６ｂの一端側（矢印Ｂ１方向）に傾斜するように延びている。気液分離器１６は、気液分離器本体８４（気液分離室）を備えたベース部８０と、ベース部８０の上部に設けられた連結部８２とを備える。

ベース部８０は、気液分離器本体８４と、気液分離器本体８４を収容するカバー部８６とを有する。気液分離器本体８４は、燃料電池スタック１２から排出された燃料排ガスを気液分離する。カバー部８６は、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２を覆うように設けられている。カバー部８６には、燃料電池スタック１２から排出された燃料排ガスをベース部８０内に導入するための第１導入口８８及び第２導入口９０が形成されている。

第１導入口８８は、カバー部８６における第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１に対向する位置に形成されている。換言すれば、第１導入口８８は、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１に直接的に連通する。第１導入口８８は、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１から排出された燃料排ガスをベース部８０内（気液分離器本体８４内）に導入する。

第２導入口９０は、カバー部８６における第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２に対向する位置に形成されている。換言すれば、第２導入口９０は、第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２に直接的に連通する。第２導入口９０は、第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２から排出された燃料排ガスをベース部８０内（気液分離器本体８４内）に導入する。

カバー部８６の下部は、気液分離器本体８４によって燃料排ガスから分離された水が貯留可能なように形成されている。カバー部８６の下部は、下方に向かって矢印Ｂ方向に沿った幅寸法が狭くなるように形成されている。カバー部８６の下部には、気液分離器１６内の水を排出するための排水部９２が設けられている。

排水部９２は、カバー部８６の最下部に位置する排水流路９４と、排水流路９４を開閉するための排水弁９６と、を含む。カバー部８６内には、連結部８２からカバー部８６内に流入した水を排水部９２に導く案内壁９８が設けられている。案内壁９８は、連結部８２から排水部９２まで下方に向かってエンドプレート２６ｂの一端側（矢印Ｂ１方向）に傾斜するとともに直線状に延在している。

連結部８２は、カバー部８６から上方に向かって四角筒状に延出している。連結部８２は、円筒状又は多角筒状（四角筒状以外）に形成されていてもよい。図３に示すように、連結部８２は、導入配管６４の下側に一体的に設けられた取付部１００にねじ部材等の複数の締結部材（図示せず）によって連結されている。取付部１００は、水平方向に平板状に延在している。

図３において、取付部１００の下面１００ａには、下方に向けて突出した四角環状の凸部１０２と、凸部１０２の内側に位置する上述した開口部７２とが形成されている。凸部１０２には、連結部８２の延出端部が外嵌される。つまり、導入配管６４の開口部７２と連結部８２の内孔８２ａとは、互いに連通して連通路１０４を形成する。すなわち、気液分離器１６と導入配管６４との連結部分には、気液分離器１６内と導入配管６４内の流路６４ａとを互いに連通する連通路１０４が形成されている。

連結部８２の延出端面には、連結部８２の延出端面と取付部１００の下面１００ａとの間を気密及び液密にシールする環状のシール部材１０６が設けられている。凸部１０２の突出端面には、環状のシール部材１０８を介して弁部材１１０が配設されている。換言すれば、弁部材１１０は、連結部８２の内孔８２ａ（連通路１０４）に配設されている。

図３〜図４Ｂに示すように、弁部材１１０は、気液分離器１６内から導入配管６４内への燃料排ガスの流入を許可する一方で導入配管６４内から気液分離器１６内への燃料ガスの流出を制限する。弁部材１１０は、連結部８２（図３参照）の延出方向と直交する方向に延びている。弁部材１１０は、シール部材１０８（図３参照）に固着されて２つの開口部１１２ａ、１１２ｂが形成された板状の支持部１１４と、これら開口部１１２ａ、１１２ｂのそれぞれを覆うように支持部１１４に設けられた２つの弁体１１６ａ、１１６ｂと、これら弁体１１６ａ、１１６ｂのそれぞれの移動上限を規制する２つのストッパ部１１７ａ、１１７ｂとを有する。

図３において、支持部１１４は、シール部材１０８に固着されている。支持部１１４は、矢印Ｂ２方向に向かって下方に傾斜している。図３及び図４Ａに示すように、支持部１１４の矢印Ｂ２方向の縁部には、支持部１１４の上面に溜まった水を気液分離器１６のベース部８０内に流すための水抜き用の孔１１４ａが形成されている。各開口部１１２ａ、１１２ｂは、矩形状に形成されている。２つの開口部１１２ａ、１１２ｂは、導入配管６４の延在方向に並んでいる。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、各弁体１１６ａ、１１６ｂは、弾性変形可能な矩形状（帯状）の板部材である。弁体１１６ａ、１１６ｂの構成材料としては、例えば、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。弁体１１６ａは、開口部１１２ａを上方（インジェクタ装置６２側、取付部１００が位置する側）から覆うように支持部１１４に設けられている。弁体１１６ｂは、開口部１１２ｂを上方から覆うように支持部１１４に設けられている。

各ストッパ部１１７ａ、１１７ｂは、弁体１１６ａ、１１６ｂよりも厚い板部材である。ストッパ部１１７ａ、１１７ｂの構成材料としては、上述した弁体１１６ａ、１１６ｂと同じものが挙げられる。ストッパ部１１７ａは、弁体１１６ａを上方（インジェクタ装置６２側、取付部１００が位置する側）から覆っている。ストッパ部１１７ｂは、弁体１１６ｂを上方から覆っている。

弁体１１６ａの片方の端部とストッパ部１１７ａの片方の端部とは、互いに重ねられた状態でねじ部材等の締結部材１１８ａによって支持部１１４に締結されている。ストッパ部１１７ａは、その長手方向の中間部分から締結部材１１８ａと反対側の端部に向かって支持部１１４から離間する方向に反るように湾曲している。弁体１１６ａは、開口部７２に対向している。

弁体１１６ｂ及びストッパ部１１７ｂは、弁体１１６ａ及びストッパ部１１７ａと同様に構成されているため、その構成の詳細な説明については省略する。弁体１１６ｂ及びストッパ部１１７ｂは、弁体１１６ａ及びストッパ部１１７ａを１８０°向きを変えて設けられている。弁体１１６ｂのうち締結部材１１８ａが位置する側とは反対側の端部とストッパ部１１７ｂのうち締結部材１１８ａが位置する側とは反対側の端部とは、互いに重ねられた状態でねじ部材等の締結部材１１８ｂによって支持部１１４に締結されている。

このような弁部材１１０では、図５に示すように、気液分離器本体８４側から導かれる燃料排ガスによって各弁体１１６ａ、１１６ｂがインジェクタ装置６２側に湾曲するように弾性変形する。これにより、弁部材１１０が開状態となり、気液分離器本体８４内の燃料排ガスが開口部１１２ａ、１１２ｂを介してインジェクタ装置６２に導入される。

この際、各弁体１１６ａ、１１６ｂの弾性変形（移動上限）は、ストッパ部１１７ａ、１１７ｂによって規制されている。そのため、弁体１１６ａ、１１６ｂが燃料排ガスに押されて過度に変形することはない。なお、気液分離器本体８４内の圧力が比較的低い場合には、弁体１１６ａ、１１６ｂは、弾性変形せずに開口部１１２ａ、１１２ｂを閉塞する。これにより、弁部材１１０が閉状態となり、インジェクタ６８から吐出された燃料ガスが気液分離器本体８４内に導かれることが阻止される。

導入配管６４の開口部７２と弁部材１１０の開口部１１２ａ、１１２ｂとのそれぞれの大きさ、形状、位置、数は、燃料排ガスの流量等に応じて適宜変更してよい。

次に、上記のように構成された燃料電池システム１０の作用を説明する。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２８ａに供給され、酸化剤ガス入口連通孔２８ａから第１セパレータ３６の酸化剤ガス流路５０に導入される。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４０のカソード電極４８に供給される。

一方、図１に示すように、燃料ガスは、図示しない燃料ガスタンクから燃料ガス供給路６０を介してインジェクタ装置６２に供給される。図２及び図３において、インジェクタ装置６２から導入配管６４内に噴射された燃料ガスは、エジェクタ７６を介して燃料ガス入口連通孔３２ａに導かれ、第２セパレータ３８の燃料ガス流路５２に導入される。そして、燃料ガスは、燃料ガス流路５２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４０のアノード電極４６に供給される。

従って、各ＭＥＡ４０では、カソード電極４８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４６に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、図２において、カソード電極４８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０から第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１及び第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２へと流動して矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４６に供給されて消費された燃料ガス（燃料排ガス）は、燃料ガス流路５２から第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２へと流動して矢印Ａ方向に排出される。

図１及び図３に示すように、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１から排出された燃料排ガスは、気液分離器１６の第１導入口８８からカバー部８６内に直接導入される。第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２から排出された燃料排ガスは、気液分離器１６の第２導入口９０からカバー部８６内に直接導入される。

カバー部８６内に導入された水分を含む燃料排ガスは、気液分離器本体８４によって気液分離される。気液分離器本体８４によって水分が除去された燃料排ガスは、エジェクタ７６の負圧の作用によって連通路１０４及び弁部材１１０を介して導入配管６４の流路６４ａに吸入される。つまり、気液分離器本体８４で気液分離された燃料排ガスは、インジェクタ装置６２から導入配管６４内に噴射された燃料ガスと合流し発電に用いられる。一方、気液分離器本体８４で除去された液水は、カバー部８６の下部に貯留される。

また、図２において、第１冷却媒体入口連通孔３０ａ１及び第２冷却媒体入口連通孔３０ａ２に供給された冷却媒体は、互いに接合された第１セパレータ３６と第２セパレータ３８との間に形成された冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向に流れる。この冷却媒体は、ＭＥＡ４０を冷却した後、第１冷却媒体出口連通孔３０ｂ１及び第２冷却媒体出口連通孔３０ｂ２から排出される。

この場合、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。

気液分離器１６は、導入配管６４の下側に直接連結され、気液分離器１６と導入配管６４との連結部分には、気液分離器１６内と導入配管６４の流路６４ａとを互いに連通する連通路１０４が形成されている。

このような構成によれば、気液分離器１６を導入配管６４の下側に直接連結しているため、気液分離器１６と導入配管６４とを繋ぐ循環配管が不要になる。このため、部品点数を低減するとともに小型化を図ることができる。

燃料電池システム１０は、気液分離器１６から導出された燃料排ガスを導入配管６４内の流路６４ａに移送するための移送装置６６を備える。導入配管６４内の流路６４ａを形成する内面のうち流路６４ａの中心線ＣＬの下方に位置する下側部位７０は、導入配管６４の下流側に向かって下方に傾斜している。

このような構成によれば、導入配管６４内の流路６４ａの水（結露水及び気液分離器１６から燃料排ガスとともに導入された水）を下側部位７０に沿って連通路１０４に導き、気液分離器１６内に落下させることができる。これにより、導入配管６４から燃料電池スタック１２内に水が導入されることを抑制することができる。

移送装置６６は、導入配管６４内に配置されて負圧によって気液分離器１６内の燃料排ガスを導入配管６４内の流路６４ａに吸い込むエジェクタ７６を含む。連通路１０４は、導入配管６４内の流路６４ａのエジェクタ７６とインジェクタ６８との間に連通する。

このような構成によれば、移送装置６６がエジェクタ７６を含むため、燃料電池システム１０の構成を簡素化することができる。

気液分離器１６の下部には、気液分離器１６内の水を排出するための排水部９２が設けられている。気液分離器１６内には、連通路１０４から気液分離器１６内に流入した水を排水部９２に導く案内壁９８が設けられている。

このような構成によれば、連通路１０４から気液分離器１６内に導かれた水を排水部９２によって確実に排水することができる。

連通路１０４には、気液分離器１６内から導入配管６４内の流路６４ａへの燃料排ガスの流入を許可する一方で導入配管６４内の流路６４ａから気液分離器１６内への燃料ガスの流出を制限する弁部材１１０が配設されている。

このような構成によれば、気液分離器１６から導入配管６４内の流路６４ａに燃料排ガスを導入しつつ導入配管６４内の流路６４ａを流通する燃料ガスが連通路１０４を介して気液分離器１６内に漏れ出ることを抑制することができる。

気液分離器１６は、燃料電池スタック１２における複数の発電セル１８の積層方向の端面に設けられている。

このような構成によれば、気液分離器１６と燃料電池スタック１２との距離を短くすることができるため、燃料電池システム１０の小型化を図ることができる。

燃料電池スタック１２には、複数の発電セル１８のそれぞれに燃料ガスを導く燃料ガス入口連通孔３２ａと、複数の発電セル１８のそれぞれから導出された燃料排ガスを排出する第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２と、が設けられている。気液分離器１６には、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１から排出された燃料排ガスを気液分離器１６内に導入するための第１導入口８８と、第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２から排出された燃料排ガスを気液分離器１６内に導入するための第２導入口９０と、が形成されている。

このような構成によれば、燃料排ガスを燃料電池スタック１２から気液分離器１６内に効率的に導入することができる。

第１導入口８８は、気液分離器１６のうち第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１に対向する位置に設けられ、第２導入口９０は、気液分離器１６のうち第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２に対向する位置に設けられている。

このような構成によれば、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１から排出された燃料排ガスを第１導入口８８に直接的に導入するとともに第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２から排出された燃料排ガスを第２導入口９０に直接的に導入することができる。これにより、燃料電池システム１０の部品点数の削減を図ることができるとともに燃料電池システム１０の小型化を図ることができる。

気液分離器１６は、インジェクタ６８から導入配管６４内の流路６４ａに噴射された燃料ガスを燃料電池スタック１２に導く燃料電池システム１０に搭載されて燃料電池スタック１２から排出された燃料排ガスを気液分離する。燃料電池スタック１２には、積層された複数の発電セル１８のそれぞれに燃料ガスを導く燃料ガス入口連通孔３２ａと、複数の発電セル１８のそれぞれから導出された燃料排ガスを排出する第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２とが設けられている。

気液分離器１６は、気液分離器本体８４（気液分離室）を備えたベース部８０と、ベース部８０の上部に設けられ、導入配管６４の下側に直接連結される連結部８２と、を備える。ベース部８０には、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１から排出された燃料排ガスをベース部８０内に導入する第１導入口８８と、第２燃料ガス出口連通孔３２ｂ２から排出された燃料排ガスをベース部８０内に導入する第２導入口９０と、が設けられている。

このような気液分離器１６によれば、上述した燃料電池システム１０と同様の効果を奏する。

本発明は、上述した構成に限定されない。第１導入口８８は、気液分離器１６のうち第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１に対向しない位置に設けられてもよい。この場合、気液分離器１６には、第１燃料ガス出口連通孔３２ｂ１と第１導入口８８とを互いに連通させる中間配管が設けられる。このように中間配管を設けると、気液分離器１６が大型化することを抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システム及び気液分離器は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池システム １６…気液分離器
１８…発電セル ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ１…第１燃料ガス出口連通孔 ３２ｂ２…第２燃料ガス出口連通孔
６４…導入配管 ６４ａ…流路
６６…移送装置 ６８…インジェクタ
７０…下側部位 ７６…エジェクタ
８０…ベース部 ８２…連結部
８８…第１導入口 ９０…第２導入口
９２…排水部 ９８…案内壁
１０４…連通路 １１０…弁部材
ＣＬ…中心線

Claims (9)

1. 燃料電池スタックにインジェクタから噴射された燃料ガスを導くための導入配管と、前記燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記気液分離器は、前記導入配管の下側に直接連結され、
   前記気液分離器と前記導入配管との連結部分には、前記気液分離器内と前記導入配管とを互いに連通する連通路が形成されており、
   前記気液分離器は、気液分離室を備えたベース部と、前記ベース部の上部から延出して前記導入配管の下側に直接連結される連結部と、を備え、
   前記連結部の前記ベース部からの延出長さは、前記導入配管と前記ベース部とが互いに高さ方向で部分的に重複する位置に配置されるように設定されている、燃料電池システム。
2. 燃料電池スタックにインジェクタから噴射された燃料ガスを導くための導入配管と、前記燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記気液分離器は、前記導入配管の下側に直接連結され、
   前記気液分離器と前記導入配管との連結部分には、前記気液分離器内と前記導入配管とを互いに連通する連通路が形成されており、
   前記気液分離器から導出された燃料排ガスを前記導入配管内の流路に移送するための移送装置を備え、
   前記導入配管内の流路を形成する内面のうち前記流路の中心線の下方に位置する下側部位は、前記導入配管の下流側に向かって下方に傾斜している、燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記移送装置は、前記導入配管内に配置されて負圧によって前記気液分離器内の燃料排ガスを前記導入配管内の流路に吸い込むエジェクタを含み、
   前記連通路は、前記導入配管内の流路の前記エジェクタと前記インジェクタとの間に連通する、燃料電池システム。
4. 請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
   前記気液分離器の下部には、前記気液分離器内の水を排出するための排水部が設けられ、
   前記気液分離器内には、前記連通路から前記気液分離器内に流入した水を前記排水部に導く案内壁が設けられている、燃料電池システム。
5. 燃料電池スタックにインジェクタから噴射された燃料ガスを導くための導入配管と、前記燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記気液分離器は、前記導入配管の下側に直接連結され、
   前記気液分離器と前記導入配管との連結部分には、前記気液分離器内と前記導入配管とを互いに連通する連通路が形成されており、
   前記連通路には、前記気液分離器内から前記導入配管内の流路への燃料排ガスの流入を許可する一方で前記導入配管内の流路から前記気液分離器内への燃料ガスの流出を制限する弁部材が配設されている、燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記気液分離器は、前記燃料電池スタックにおける複数の発電セルの積層方向の端面に設けられている、燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックには、
   前記複数の発電セルのそれぞれに燃料ガスを導く燃料ガス入口連通孔と、
   前記複数の発電セルのそれぞれから導出された燃料排ガスを排出する第１燃料ガス出口連通孔及び第２燃料ガス出口連通孔と、が設けられ、
   前記気液分離器には、
   前記第１燃料ガス出口連通孔から排出された燃料排ガスを前記気液分離器内に導入するための第１導入口と、
   前記第２燃料ガス出口連通孔から排出された燃料排ガスを前記気液分離器内に導入するための第２導入口と、が形成されている、燃料電池システム。
8. 請求項７記載の燃料電池システムであって、
   前記第１導入口は、前記気液分離器のうち前記第１燃料ガス出口連通孔に対向する位置に設けられ、
   前記第２導入口は、前記気液分離器のうち前記第２燃料ガス出口連通孔に対向する位置に設けられている、燃料電池システム。
9. インジェクタから導入配管内の流路に噴射された燃料ガスを燃料電池スタックに導く燃料電池システムに搭載されて前記燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを気液分離する気液分離器であって、
   前記燃料電池スタックには、積層された複数の発電セルのそれぞれに燃料ガスを導く燃料ガス入口連通孔と、前記複数の発電セルのそれぞれから導出された燃料排ガスを排出する第１燃料ガス出口連通孔及び第２燃料ガス出口連通孔と、が設けられ、
   前記気液分離器は、
   気液分離室を備えたベース部と、
   前記ベース部の上部から延出して前記導入配管の下側に直接連結される連結部と、を備え、
   前記連結部の前記ベース部からの延出長さは、前記導入配管と前記ベース部とが互いに高さ方向で部分的に重複する位置に配置されるように設定されており、
   前記ベース部には、
   前記第１燃料ガス出口連通孔から排出された燃料排ガスを前記ベース部内に導入する第１導入口と、
   前記第２燃料ガス出口連通孔から排出された燃料排ガスを前記ベース部内に導入する第２導入口と、が設けられている、気液分離器。

Images