JP7028742B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

この種の燃料電池は、例えば、フッ素樹脂系などの高分子イオン交換膜からなる電解質膜を備える。このような電解質膜は、含水状態においてプロトン導電性電解質膜として機能するが、乾燥状態においては、プロトン導電性が低下して出力低下を招く。

そのため、例えば、特許文献１には、電解質膜が適度な湿度を維持できるように、酸化剤ガスを加湿する加湿器を酸化剤ガス導入路に設け、加湿器の出口部に気液分離器を設けた構成が開示されている。

特開２００６－１４７４８４号公報

ところで、燃料電池システムでは、燃料電池システムの低温起動時に、燃料電池から排出された燃料排ガスを酸化剤ガス導入路に導入し、カソード触媒で発熱反応を生じさせることにより、燃料電池を暖機する。加えて、燃料ガス供給部を換気する際に、燃料ガスを酸化剤ガス導入路に導入し、カソード触媒で化学反応させることにより、排気燃料ガス濃度（排気水素濃度）を抑制する。

しかしながら、液状水を含む燃料排ガスを酸化剤ガスと混合して燃料電池に供給すると、燃料電池内に過剰な液状水が導入される可能性がある。また、燃料排ガスと酸化剤ガスとが均一に混合されていない場合には、カソード触媒での発熱反応効率が低下し、燃料電池を迅速に暖機することができないおそれがある。

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、酸化剤ガス導入路から燃料電池内への過剰な液状水の導入を抑制しつつ燃料電池を迅速に暖機し且つ排気燃料ガス濃度を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入路と、前記酸化剤ガス導入路に設けられた加湿器と、前記酸化剤ガス導入路における前記加湿器よりも下流側に設けられた気液分離器と、前記燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスを前記気液分離器に導く燃料排ガス導入路と、を備え、前記気液分離器は、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスと前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離する分離器本体と、前記分離器本体から気液分離後の酸化剤ガスおよび燃料排ガスを導出する管状の導出流路部と、を有し、前記導出流路部を流通する燃料排ガスの比重は酸化剤ガスの比重よりも軽く、前記導出流路部は、第１地点と、前記第１地点よりも下流側に位置する第２地点とを有する撹拌促進部を有し、前記第２地点は、前記第１地点よりも重力方向に位置し、前記分離器本体は、略鉛直方向に沿って延在した分離面が形成された基部を有し、前記導出流路部は、当該導出流路部の上流側の開口部である導出口が前記分離面に開口するように前記基部に設けられ、前記撹拌促進部は、前記第１地点から前記第２地点に向かって前記燃料排ガス及び前記酸化剤ガスが前記重力方向に流通するように前記重力方向に沿って延在している、燃料電池システムである。

本発明の他の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入路と、前記酸化剤ガス導入路に設けられた加湿器と、前記酸化剤ガス導入路における前記加湿器よりも下流側に設けられた気液分離器と、前記燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスを前記気液分離器に導く燃料排ガス導入路と、を備え、前記気液分離器は、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスと前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離する分離器本体と、前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスを前記分離器本体内に導入するための燃料排ガス入口部と、を有し、前記分離器本体内には、前記燃料排ガス入口部の開口部に対向するように配置された燃料排ガス分離壁が設けられ、前記分離器本体には、前記燃料排ガス入口部の前記開口部の指向する方向と交差する方向を指向し、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスを前記分離器本体内に導入するための酸化剤ガス導入口が形成され、前記燃料排ガス入口部は、液状水を含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように前記分離器本体の下部に設けられている、燃料電池システムである。

本発明の一態様によれば、加湿器で加湿された酸化剤ガスと燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離器で気液分離している。よって、酸化剤ガス導入路から燃料電池内への過剰な液状水の導入を抑制することができる。また、酸化剤ガスが撹拌促進部の第１地点から重力方向に位置する第２地点に流れる際に、酸化剤ガスよりも比重の軽い燃料排ガスは上方に流れようとする。そのため、撹拌促進部で比重差によって酸化剤ガスと燃料排ガスとを効率的に撹拌することができる。これにより、燃料排ガスと酸化剤ガスとを燃料電池のカソード触媒で効果的に化学反応させることができるため、燃料電池を迅速に暖機し且つ排気燃料ガス濃度を抑制することができる。

本発明の他の態様によれば、加湿器で加湿された酸化剤ガスと燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離器で気液分離している。また、燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスが燃料排ガス分離壁に当たることで、気液比重差による慣性力を利用して燃料排ガスから液状水を分離することができる。よって、酸化剤ガス導入路から燃料電池内への過剰な液状水の導入を抑制することができる。さらに、燃料排ガス入口部から導出された燃料排ガスを燃料排ガス分離壁に当てることができるため、燃料排ガスの流れを乱流にすることができる。これにより、分離器本体内で燃料排ガスと酸化剤ガスとを効率的に撹拌することができる。したがって、燃料排ガスと酸化剤ガスとを燃料電池のカソード触媒で効果的に化学反応させることができるため、燃料電池を迅速に暖機し且つ排気燃料ガス濃度を抑制することができる。

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。 加湿器に設けられた気液分離器の一部省略縦断面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った横断面図である。 図２のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 加湿器および気液分離器の側面図である。 酸化剤ガス、燃料排ガスおよび混合ガスの流れと液状水の流れを示す説明図である。 撹拌促進部での酸化剤ガスおよび燃料排ガスの流れを示す説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池システム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、燃料電池電気自動車などの燃料電池車両（図示せず）に搭載される。ただし、燃料電池システム１０は、燃料電池車両を除く種々の移動体に搭載してもよいし、定置型としても用いることができる。

燃料電池システム１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１２、燃料ガス供給装置１３、酸化剤ガス供給装置１４および制御部１５を備える。なお、図示は省略するが、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を冷却するための冷却媒体供給装置、バッテリなどをさらに備えている。

燃料電池スタック１２は、燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１２は、水平方向に積層される複数の発電セル１６を備える。発電セル１６は、電解質膜・電極構造体１８を第１セパレータ２０および第２セパレータ２２で挟持して構成される。第１セパレータ２０および第２セパレータ２２は、金属セパレータまたはカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体１８は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜２４と、固体高分子電解質膜２４を挟持するアノード電極２６およびカソード電極２８とを備える。固体高分子電解質膜２４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２０と電解質膜・電極構造体１８との間には、アノード電極２６に燃料ガスを導くための燃料ガス流路３０が設けられている。第２セパレータ２２と電解質膜・電極構造体１８との間には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３２が設けられている。

燃料電池スタック１２には、燃料ガス入口３４ａ、燃料ガス出口３４ｂ、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂが設けられる。燃料ガス入口３４ａは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３０の供給側に連通する。燃料ガス出口３４ｂは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３０の排出側に連通する。燃料ガス流路３０、燃料ガス入口３４ａおよび燃料ガス出口３４ｂは、アノード流路を構成する。

酸化剤ガス入口３６ａは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３２の供給側に連通する。酸化剤ガス出口３６ｂは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３２の排出側に連通する。酸化剤ガス流路３２、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂは、カソード流路を構成する。

燃料ガス供給装置１３は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置１３は、燃料ガス供給部３８と、燃料ガス供給部３８から供給された燃料ガスを燃料ガス入口３４ａに導く燃料ガス導入路４０とを備える。燃料ガス供給部３８は、高圧の燃料ガス（高圧水素）を貯留する図示しない燃料ガスタンク（水素ガスタンク）などを含む。

燃料電池スタック１２の燃料ガス出口３４ｂには、燃料ガス排出路４２が連結されている。燃料ガス排出路４２は、アノード電極２６で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを燃料電池スタック１２から導出する。

燃料ガス排出路４２には、燃料排ガスを液状水とともに酸化剤ガス供給装置１４の気液分離器５４に導く燃料排ガス導入路４４が連結されている。燃料排ガス導入路４４には、開閉弁４６が設けられている。開閉弁４６は、燃料ガス排出路４２および燃料排ガス導入路４４を互いに連通させる開放状態と燃料ガス排出路４２および燃料排ガス導入路４４の連通を遮断する閉塞状態とに切り替え可能に構成されている。

燃料ガス排出路４２のうち燃料排ガス導入路４４との連結部よりも下流側の部分には、燃料ガス排出路４２を開放および閉塞する開閉弁４７が設けられている。燃料ガス排出路４２のうち開閉弁４７よりも下流側に導かれた燃料排ガスは、燃料ガス供給部３８に導入して燃料電池スタック１２に循環させてもよいし、酸化剤排ガスで希釈して大気中に排出してよい。

酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス供給部４８と、酸化剤ガス供給部４８から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス入口３６ａに導く酸化剤ガス導入路５０とを備える。酸化剤ガス供給部４８としては、例えば、大気から空気を圧縮して供給するエアポンプが用いられる。

酸化剤ガス導入路５０には、加湿器５２と気液分離器５４とが設けられている。加湿器５２は、酸化剤ガス（供給空気）と酸化剤排ガス（排出空気）との間で液状水および熱を交換する。換言すれば、加湿器５２は、酸化剤排ガスにより酸化剤ガスを加湿および加熱する。気液分離器５４は、酸化剤ガス導入路５０における加湿器５２よりも下流側に設けられている。気液分離器５４は、加湿器５２によって加湿された酸化剤ガスと燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水を含んだ燃料排ガスとの両方を気液分離するとともに互いに混合する。気液分離器５４の詳細な説明については後述する。

燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口３６ｂには、酸化剤ガス排出路５６が連結されている。酸化剤ガス排出路５６は、カソード電極２８で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、加湿器５２を介して大気中に排出する。

図２および図３に示すように、気液分離器５４は、加湿器５２に一体的に設けられている。気液分離器５４は、分離器本体６０、燃料排ガス入口部６２、排水部６４、導出流路部６６を備える。分離器本体６０は、縦断面が略Ｕ字状に形成されている。つまり、分離器本体６０は、略鉛直方向に沿って延在した分離面６８ａが形成された基部６８と、分離面６８ａを周回するように基部６８から加湿器５２側（矢印Ｘ１方向）に向かって突出した周壁部７０とを有する。

基部６８は、平板状に延在している。周壁部７０は、円環状に形成され、基部６８の外縁部に設けられている。周壁部７０の突出端には、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスを分離器本体６０内に導入するための酸化剤ガス導入口７２が形成されている。酸化剤ガス導入口７２は、分離面６８ａに対向するように分離面６８ａと直交する方向（矢印Ｘ１方向）を指向している。周壁部７０は、円環状に延在した内面７０ａを有する。

燃料排ガス入口部６２は、燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水を含む燃料排ガスを分離器本体６０内に導入させる。換言すれば、燃料排ガス入口部６２は、液状水を含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように分離器本体６０の下部に設けられている。燃料排ガス入口部６２は、管状に形成されている。

燃料排ガス入口部６２の上端部は、分離器本体６０内に突出している。燃料排ガス入口部６２の下端部には、燃料排ガス導入路４４が連結されている。燃料排ガス入口部６２の上端の開口部６２ａは、上方（斜め上方）を指向している。すなわち、酸化剤ガス導入口７２は、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａの指向する方向と交差する方向（矢印Ｘ１方向）を指向している（図２参照）。

図３に示すように、排水部６４は、分離器本体６０内の液状水Ｗ（図６参照）を外部に排出する。具体的には、排水部６４は、酸化剤ガス排出路５６に連結されている（図１参照）。排水部６４は、管状に形成されるとともに周壁部７０の下部（最下部）に設けられている。図３の例では、排水部６４は、燃料排ガス入口部６２の隣に配置されている。排水部６４の上端面は、周壁部７０の内面７０ａに連なっている。すなわち、排水部６４は、分離器本体６０内に突出していない。

図２および図５において、導出流路部６６は、分離器本体６０から酸化剤ガスおよび燃料排ガスを導出する。具体的には、導出流路部６６は、気液分離後の気体（酸化剤ガスおよび燃料排ガスが混合された混合ガス）を酸化剤ガス導入路５０における気液分離器５４の下流側に導く。導出流路部６６は、管状（筒状）に形成されるとともに基部６８のうち加湿器５２とは反対側（矢印Ｘ２方向）に設けられている。

図３および図４に示すように、導出流路部６６の一方の開口部である導出口６６ａは、分離面６８ａに開口している。導出口６６ａは、分離面６８ａのうち上下方向の中央よりも上方且つ左右方向の中央よりも一方側（矢印Ｙ１方向）に位置している。導出口６６ａは、導出流路部６６の内孔６７と分離器本体６０内とを互いに連通する。導出流路部６６の他方の開口部６６ｂは、水平方向（矢印Ｙ１方向）を指向している。

図４および図５に示すように、導出流路部６６は、第１地点Ｐ１と、第１地点Ｐ１より下流側に位置する第２地点Ｐ２とを有する撹拌促進部７４と、撹拌促進部７４の上端部に設けられた連結部７５と、撹拌促進部７４の下端部に設けられた延出流路部７６とを有する。導出流路部６６を流通する燃料排ガスの比重は酸化剤ガスの比重よりも軽い。

撹拌促進部７４は、重力方向（鉛直方向）に沿って直線状に延在している。本実施形態において、第１地点Ｐ１は、撹拌促進部７４の上端（連結部７５との境界部）に位置し、第２地点Ｐ２は撹拌促進部７４の下端（延出流路部７６との境界部）に位置する。撹拌促進部７４は、四角環状に形成されている。ただし、撹拌促進部７４は、円環状または多角環状（四角環状以外）であってもよい。

連結部７５は、撹拌促進部７４の上端部と分離器本体６０（基部６８）の上下方向の中央よりも上方部分とを互いに連結する。連結部７５の内面には、導出口６６ａに対向する湾曲面７７が形成されている（図５参照）。湾曲面７７は、矢印Ｘ１方向から導かれた混合ガスを下方（重力方向）に案内する。

図４において、延出流路部７６は、撹拌促進部７４の下端部から撹拌促進部７４の延在方向に対して略直交する方向（矢印Ｙ１方向）に延出している。延出流路部７６の内面には、撹拌促進部７４の下端の開口部７４ａに対向する平坦面７９が設けられている。平坦面７９は、略水平方向に延在している。連結部７５の内面の上端から平坦面７９までの上下方向に沿った直線距離Ｌは、周壁部７０の内径よりも小さい。

図２および図３に示すように、分離器本体６０内には、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向するように配置された板状の燃料排ガス分離壁７８が設けられている。つまり、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａは、燃料排ガス分離壁７８の下方に位置している。

図３において、燃料排ガス分離壁７８は、分離面６８ａのうち上下方向の中央よりも下方に位置している。つまり、燃料排ガス分離壁７８は、導出口６６ａに対して所定距離離れている。燃料排ガス分離壁７８は、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向する平板状の分離壁本体９０と、分離壁本体９０から下方に向けて突出した突出部９２ａ、９２ｂとを有する。

分離壁本体９０は、矢印Ｙ２方向に向かって下方に若干傾斜するように延在している。突出部９２ａ、９２ｂは、分離器本体６０に付着した液状水Ｗを下方に導く。突出部９２ａは、分離壁本体９０の矢印Ｙ１方向の端部（導出口６６ａに近い方の端部）から下方に向かって矢印Ｙ１方向に傾斜するように延出している。突出部９２ｂは、分離壁本体９０の矢印Ｙ２方向の端部（導出口６６ａに遠い方の端部）から下方に向かって矢印Ｙ２方向に傾斜するように延出している。突出部９２ｂの突出長は、突出部９２ａの突出長よりも短い。

制御部１５は、燃料電池システム１０の全体の制御を行う。制御部１５は、開閉弁４６、４７の開閉動作を制御する。

次に、燃料電池システム１０の起動時の動作について、以下に説明する。なお、燃料電池システム１０の起動時には、制御部１５は、開閉弁４６を開放させるとともに開閉弁４７を閉塞させる。

図１に示すように、燃料電池システム１０を起動する際、燃料ガス供給装置１３では、燃料ガスが燃料ガス供給部３８から燃料ガス導入路４０を介して燃料ガス入口３４ａに供給される。燃料ガス入口３４ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路３０に導入され、燃料ガス流路３０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体１８のアノード電極２６に供給される。

酸化剤ガス供給装置１４では、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給部４８から酸化剤ガス導入路５０に導入される。酸化剤ガス導入路５０に導入された酸化剤ガスは、加湿器５２で加湿された後、気液分離器５４によって過剰な液状水が除去されて酸化剤ガス入口３６ａに供給される。酸化剤ガス入口３６ａに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２に導入され、酸化剤ガス流路３２に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体１８のカソード電極２８に供給される。

したがって、各電解質膜・電極構造体１８では、アノード電極２６に供給される燃料ガスと、カソード電極２８に供給される酸化剤ガス中の酸素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、アノード電極２６に供給されて一部が消費された液状水を含む燃料ガスは、燃料排ガスとして燃料ガス出口３４ｂから燃料ガス排出路４２に排出される。この際、開閉弁４６が開放されるとともに開閉弁４７は閉塞されているため、燃料ガス排出路４２の液状水を含む燃料排ガスは、燃料排ガス導入路４４を介して気液分離器５４に導入される。

カソード電極２８に供給されて一部が消費された酸化剤排ガスは、酸化剤ガス出口３６ｂから酸化剤ガス排出路５６を介して加湿器５２に導かれる。加湿器５２では、酸化剤排ガスの熱および液状水が酸化剤ガス導入路５０から導かれた酸化剤ガスとの間で交換される。加湿器５２を流通した酸化剤排ガスは、外部に排出される。

気液分離器５４では、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスと液状水を含む燃料排ガスとが気液分離され、気液分離された酸化剤ガスと燃料排ガスとが混合される。気液分離器５４から導出された混合ガスは、酸化剤ガス入口３６ａからカソード電極２８に導かれる。そうすると、混合ガスによりカソード触媒で発熱反応が生じるため、燃料電池スタック１２が迅速に暖機される。これにより、燃料電池システム１０の低温起動性能が向上する。また、燃料排ガスは、酸化剤ガスに混合された状態で燃料電池スタック１２のカソード触媒で使用される。したがって、大気中に排出される燃料排ガスの濃度は十分に低減される。

次に、気液分離器５４の動作について説明する。

図２に示すように、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７２から分離器本体６０内に導入されて分離面６８ａに当たる。この際、気液比重差による慣性力によって酸化剤ガス中の液状水が分離面６８ａに付着する。図６において、分離面６８ａに付着した液状水Ｗは、分離面６８ａを下方に流れ、排水部６４から外部に排水される。なお、周壁部７０の内面７０ａに付着した液状水Ｗ（結露水）は、周壁部７０の内面７０ａを下方に流れ、排水部６４から外部に排水される。

燃料排ガス入口部６２から導かれた液状水を含む燃料排ガスは、分離壁本体９０に当たる。分離壁本体９０に当たった燃料排ガスは、気液比重さによる慣性力によって燃料排ガス中の液状水が分離壁本体９０に付着する。分離壁本体９０に付着した液状水Ｗは、突出部９２ａ、９２ｂにより下方に導かれ、排水部６４を介して外部に排出される。

分離面６８ａにより液状水が分離された酸化剤ガスは、導出口６６ａに向かって分離器本体６０内を流通する。この際、酸化剤ガスは、導出口６６ａから離れるほど流速が遅くなる。そのため、分離面６８ａの上下方向の中央よりも下方に位置する燃料排ガス分離壁７８の近傍は、酸化剤ガスの流速が比較的低い領域（低流速領域）となる。

分離壁本体９０により液状水が分離された燃料排ガスは、分離器本体６０の下面に沿って矢印Ｙ１方向と矢印Ｙ２方向に分かれる。矢印Ｙ１方向に流れた燃料排ガスは、突出部９２ａに沿って下方に流れた後、突出部９２ａの突出端と周壁部７０の内面７０ａとの間の隙間を通り、燃料排ガス分離壁７８から離れる（剥離する）。矢印Ｙ２方向に流れた燃料排ガスは、突出部９２ｂに沿って下方に流れた後、突出部９２ｂの突出端と周壁部７０の内面７０ａとの間の隙間を通り、燃料排ガス分離壁７８から離れる（剥離する）。すなわち、燃料排ガスの流れは、燃料排ガス分離壁７８に当たることにより乱流になる。

燃料排ガス分離壁７８から離れた燃料排ガスは、分離器本体６０内における酸化剤ガスの低流速領域で酸化剤ガスに対して広範囲に撹拌される。そして、酸化剤ガスと燃料排ガスとは、互いに混合されて混合ガスとして導出口６６ａに導かれる。

図４および図６に示すように、導出口６６ａから流入した混合ガスは、導出流路部６６の内孔６７を介して燃料電池スタック１２に導かれる。この際、混合ガスは、撹拌促進部７４を下方に向かって流れる。具体的には、図７において、撹拌促進部７４では、混合ガス中の酸化剤ガスは下方に向かって流れる一方で、酸化剤ガスよりも比重の軽い混合ガス中の燃料排ガスは上方に向かって流れようとする。そのため、酸化剤ガスの下方への流れ（ダウンフロー）によって混合ガス中の燃料排ガスと酸化剤ガスとが均一に撹拌される。

そして、撹拌促進部７４を下方に流れた混合ガスは、延出流路部７６の平坦面７９に当たる。この際、燃料排ガスと酸化剤ガスとの流れが乱れるため、燃料排ガスと酸化剤ガスとがより均一に撹拌される。平坦面７９に当たって撹拌された混合ガスは、導出流路部６６の他方の開口部６６ｂを介して燃料電池スタック１２に導かれる。

この燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。

燃料電池システム１０によれば、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスと燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離器５４で気液分離している。よって、酸化剤ガス導入路５０から燃料電池（燃料電池スタック１２）内への過剰な液状水Ｗの導入を抑制することができる。また、酸化剤ガスが撹拌促進部７４の第１地点Ｐ１から重力方向に位置する第２地点Ｐ２に流れる際に、酸化剤ガスよりも比重の軽い燃料排ガスは上方（鉛直上方）に流れようとする。そのため、撹拌促進部７４で比重差によって酸化剤ガスと燃料排ガスとを効率的に撹拌することができる。これにより、燃料排ガスと酸化剤ガスとを燃料電池（燃料電池スタック１２）のカソード触媒で効果的に化学反応させることができるため、燃料電池（燃料電池スタック１２）を迅速に暖機し且つ排気燃料ガス濃度を抑制することができる。

撹拌促進部７４は、重力方向に沿って延在している。このような構成によれば、撹拌促進部７４で比重差によって酸化剤ガスと燃料排ガスとを一層効率的に撹拌することができる。

導出流路部６６は、撹拌促進部７４の下端部から撹拌促進部７４の延在方向に対して略直交する方向に延出した延出流路部７６を有している。延出流路部７６の内面には、撹拌促進部７４の下端の開口部７４ａに対向する平坦面７９が設けられている。このような構成によれば、撹拌促進部７４を流通した酸化剤ガスと燃料排ガスとを平坦面７９に当てることができるため、酸化剤ガスと燃料排ガスとを一層効率的に撹拌することができる。

導出流路部６６は、撹拌促進部７４の上端部と分離器本体６０の上下方向の中央よりも上方部分とを互いに連結する連結部７５を有している。このような構成によれば、撹拌促進部７４の下端が気液分離器５４よりも下方に突出することを抑え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。

気液分離器５４は、燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水を含む燃料排ガスを分離器本体６０内に導入するための燃料排ガス入口部６２を備える。分離器本体６０内には、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向するように配置された燃料排ガス分離壁７８が設けられている。

このような構成によれば、燃料排ガス入口部６２から導出された燃料排ガスを燃料排ガス分離壁７８に当てることができるため、燃料排ガスの流れを乱流にすることができる。これにより、分離器本体６０内で燃料排ガスと酸化剤ガスとを効率的に撹拌することができる。また、燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水を含む燃料排ガスが燃料排ガス分離壁７８に当たることで、気液比重差による慣性力を利用して燃料排ガスから液状水を分離することができる。

分離器本体６０には、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａの指向する方向と交差する方向を指向し、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスを分離器本体６０内に導入するための酸化剤ガス導入口７２が形成されている。このような構成によれば、酸化剤ガス導入口７２から分離器本体６０内への酸化剤ガスの導入方向と燃料排ガス入口部６２から分離器本体６０内への燃料排ガスの導入方向とを互いに異ならせることができる。そのため、分離器本体６０内で酸化剤ガスと燃料排ガスとを効率的に混合することができる。

燃料排ガス入口部６２は、液状水を含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように分離器本体６０の下部に設けられている。このような構成によれば、分離器本体６０内で酸化剤ガスと燃料排ガスとを一層効率的に混合することができる。

分離器本体６０の上下方向の中央部よりも上方部分には、導出流路部６６の内孔６７に連通する導出口６６ａが設けられている。このような構成によれば、分離器本体６０内における酸化剤ガスの流速が比較的低い領域（低流速領域）に燃料排ガスを導入することができる。そのため、分離器本体６０内で酸化剤ガスと燃料排ガスとを効率的に撹拌することができる。

燃料排ガス分離壁７８は、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向する平板状の分離壁本体９０と、分離壁本体９０から下方に向けて突出した突出部９２ａ、９２ｂと、を含んでいる。このような構成によれば、分離器本体６０に当たった燃料排ガスを突出部９２ａ、９２ｂによって重力方向に流通させることができる。これにより、酸化剤ガスと燃料排ガスとを一層効率的に撹拌することができる。

気液分離器５４は、加湿器５２に対して一体的に設けられている。このような構成によれば、気液分離器５４を加湿器５２に対して別体に設けた場合よりも燃料電池システム１０を小型化することができる。

気液分離器５４は、加湿器５２に対して別体に設けられていてもよい。つまり、気液分離器５４は、酸化剤ガス導入路５０における加湿器５２よりも下流側に設けられていればよい。

燃料排ガス入口部６２は、周壁部７０の下部に設ける例に限定されず、周壁部７０の上部、周壁部７０の上下方向の中央部に設けられていてもよい。導出口６６ａは、分離面６８ａの任意の位置に形成することができる。撹拌促進部７４の第１地点Ｐ１および第２地点Ｐ２は、第２地点Ｐ２が第１地点Ｐ１よりも下流側に位置していれば任意に設定することができる。撹拌促進部７４は、第２地点Ｐ２が第１地点Ｐ１よりも重力方向に位置していれば、任意の形状を採用し得る。つまり、撹拌促進部７４は、下流側に向かって重力方向に対して交差するように斜め下方に延在していてもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、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 １２…燃料電池スタック
４４…燃料排ガス導入路 ５０…酸化剤ガス導入路
５２…加湿器 ５４…気液分離器
６０…分離器本体 ６２…燃料排ガス入口部
６２ａ…開口部 ６４…排水部
６６…導出流路部 ６６ａ…導出口
６８…基部 ６８ａ…分離面
７０…周壁部 ７０ａ…内面
７４…撹拌促進部 ７５…連結部
７６…延出流路部 ７８…燃料排ガス分離壁
９２ａ、９２ｂ…突出部 Ｐ１…第１地点
Ｐ２…第２地点

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入路と、
   前記酸化剤ガス導入路に設けられた加湿器と、
   前記酸化剤ガス導入路における前記加湿器よりも下流側に設けられた気液分離器と、
   前記燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスを前記気液分離器に導く燃料排ガス導入路と、を備え、
   前記気液分離器は、
   前記加湿器で加湿された酸化剤ガスと前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離する分離器本体と、
   前記分離器本体から気液分離後の酸化剤ガスおよび燃料排ガスを導出する管状の導出流路部と、を有し、
   前記導出流路部を流通する燃料排ガスの比重は酸化剤ガスの比重よりも軽く、
   前記導出流路部は、第１地点と、前記第１地点よりも下流側に位置する第２地点とを有する撹拌促進部を有し、
   前記第２地点は、前記第１地点よりも重力方向に位置し、
   前記分離器本体は、略鉛直方向に沿って延在した分離面が形成された基部を有し、
   前記導出流路部は、当該導出流路部の上流側の開口部である導出口が前記分離面に開口するように前記基部に設けられ、
   前記撹拌促進部は、前記第１地点から前記第２地点に向かって前記燃料排ガス及び前記酸化剤ガスが前記重力方向に流通するように前記重力方向に沿って延在している、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記導出流路部は、前記撹拌促進部の下端部から前記撹拌促進部の延在方向に対して略直交する方向に延出した延出流路部を有し、
   前記延出流路部の内面には、前記撹拌促進部の下端の開口部に対向する平坦面が設けられている、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記導出流路部は、前記撹拌促進部の上端部と前記分離器本体の上下方向の中央よりも上方部分とを互いに連結する連結部を有している、燃料電池システム。
4. 請求項１～３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、前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスを前記分離器本体内に導入するための燃料排ガス入口部を備え、
   前記分離器本体内には、前記燃料排ガス入口部の開口部に対向するように配置された燃料排ガス分離壁が設けられている、燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記分離器本体には、前記燃料排ガス入口部の前記開口部の指向する方向と交差する方向を指向し、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスを前記分離器本体内に導入するための酸化剤ガス導入口が形成されている、燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料排ガス入口部は、液状水を含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように前記分離器本体の下部に設けられている、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、
   前記分離器本体の上下方向の中央部よりも上方部分には、前記導出流路部の内孔に連通する前記導出口が設けられている、燃料電池システム。
8. 請求項６または７に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料排ガス分離壁は、
   前記燃料排ガス入口部の開口部に対向する平板状の分離壁本体と、
   前記分離壁本体から下方に向けて突出した突出部と、を含む、燃料電池システム。
9. 請求項１～８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、前記加湿器に対して一体的に設けられている、燃料電池システム。
10. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入路と、
    前記酸化剤ガス導入路に設けられた加湿器と、
    前記酸化剤ガス導入路における前記加湿器よりも下流側に設けられた気液分離器と、
    前記燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスを前記気液分離器に導く燃料排ガス導入路と、を備え、
    前記気液分離器は、
    前記加湿器で加湿された酸化剤ガスと前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離する分離器本体と、
    前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスを前記分離器本体内に導入するための燃料排ガス入口部と、を有し、
    前記分離器本体内には、前記燃料排ガス入口部の開口部に対向するように配置された燃料排ガス分離壁が設けられ、
    前記分離器本体には、前記燃料排ガス入口部の前記開口部の指向する方向と交差する方向を指向し、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスを前記分離器本体内に導入するための酸化剤ガス導入口が形成され、
    前記燃料排ガス入口部は、液状水を含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように前記分離器本体の下部に設けられている、燃料電池システム。

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