JP7120983B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、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発電セルが複数積層された燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックに設けられた排出流路には、発電セルの発電によって発生した生成水を含む酸化剤排ガス（酸化剤オフガス）が流通する。
例えば、特許文献１には、酸化剤排ガスから水分を分離するための気液分離器を排出流路に設けた構成が開示されている。
特開２００７－１８４１４４号公報
本発明は、上述した従来技術に関連してなされたものであり、酸化剤排ガスから水分を効果的に分離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。
本発明の第１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発電セルが複数積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための供給流路と、前記燃料電池スタックから排出された酸化剤排ガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられて前記酸化剤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、前記気液分離器には、前記酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路と、前記第１流路に連通する第２流路と、前記酸化剤排ガスを前記第１流路に導入する入口と、前記第２流路を流通する前記酸化剤排ガスを導出する出口と、が設けられ、前記第２流路は、前記第１流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に導く第１屈曲流路と、前記第１屈曲流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に流通させる上方流通流路と、前記上方流通流路から導かれた前記酸化剤排ガスを水平方向に導く第２屈曲流路と、を含み、前記第１屈曲流路に導入される前記酸化剤排ガスの流通方向と前記第２屈曲流路から導出される前記酸化剤排ガスの流通方向とは、互いに逆向きである、燃料電池システムである。
本発明の第２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発電セルが複数積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための供給流路と、前記燃料電池スタックから排出された酸化剤排ガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられて前記酸化剤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、前記気液分離器には、前記酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路と、前記第１流路に連通する第２流路と、前記酸化剤排ガスを前記第１流路に導入する入口と、前記第２流路を流通する前記酸化剤排ガスを導出する出口と、が設けられ、前記第２流路は、前記第１流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に導く屈曲流路を含み、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前記発電セルの積層方向の端部に支持され、前記燃料電池システムは、前記排出流路を流通する前記酸化剤排ガスにより前記供給流路を流通する前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器と前記気液分離器とを互いに連結するとともに前記加湿器から導出された前記酸化剤排ガスを前記入口に導く連結配管と、を備え、前記加湿器は、前記燃料電池スタックの前記端部に設けられ、前記気液分離器は、前記連結配管を介して前記加湿器にマウントされている、燃料電池システムである。
本発明の第３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発電セルが複数積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための供給流路と、前記燃料電池スタックから排出された酸化剤排ガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられて前記酸化剤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、前記気液分離器には、前記酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路と、前記第１流路に連通する第２流路と、前記酸化剤排ガスを前記第１流路に導入する入口と、前記第２流路を流通する前記酸化剤排ガスを導出する出口と、が設けられ、前記第２流路は、前記第１流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に導く屈曲流路を含み、前記排出流路は、前記出口から導出された前記酸化剤排ガスを下方に向かって流通させる導出流路を備える、燃料電池システムである。
本発明によれば、気液分離器の入口から導入された酸化剤排ガスは、第１流路を水平方向に流通した後、第２流路の屈曲流路で上方に向きを変える。この際、酸化剤排ガスに含まれる水分は、気液比重差による慣性力によって屈曲流路を形成する壁面に付着する。これにより、酸化剤排ガスから水分を効果的に分離することができる。
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説明図である。 図１の燃料電池システムのブロック説明図である。 図２の酸化剤ガス系デバイスの一部省略説明図である。 図３の気液分離器の斜視図である。 図４の気液分離器の断面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。 図５のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図である。 図５のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。 図９Ａは、第１変形例に係る連結配管と気液分離器とを示す概略図であり、図９Ｂは、第２変形例に係る連結配管と気液分離器とを示す概略図である。 変形例に係るベース部の一部省略断面図である。
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。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車）に搭載される。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。
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を備える。燃料電池スタック１２は、セル積層体１４、スタックケース１６、エンドプレート１８及び補機ケース２０を有する。セル積層体１４は、複数の発電セル２２が一方向（矢印Ｘ方向、水平方向）に積層されて形成される。
発電セル２２は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２４」という。）と、ＭＥＡ２４を両側から挟持する一組のセパレータ２６、２８とを含む。ＭＥＡ２４は、例えば、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の面に設けられたアノード電極３２と、電解質膜３０の他方の面に設けられたカソード電極３４とを有する。電解質膜３０は、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。電解質膜３０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。
セパレータ２６、２８のそれぞれは、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。セパレータ２６、２８のそれぞれは、カーボン部材により構成されてもよい。
セパレータ２６のうちアノード電極３２に対向する面には、燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス流路３６が形成されている。燃料ガス流路３６は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口３８ａ（図２参照）と燃料排ガス出口３８ｂ（図２参照）とに連通している。
セパレータ２８のうちカソード電極３４に対向する面には、酸化剤ガス（例えば、空気）が流通する酸化剤ガス流路４０が形成されている。酸化剤ガス流路４０は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４２ａ（図２参照）と酸化剤排ガス出口４２ｂ（図２参照）とに連通している。互いに隣接するセパレータ２６、２８の間には、冷却媒体が流通する冷媒流路４４が形成されている。
アノード電極３２には、燃料ガスが供給される。カソード電極３４には、酸化剤ガスが供給される。発電セル２２は、アノード電極３２に供給された燃料ガスとカソード電極３４に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。
セル積層体１４の積層方向一端（矢印Ｘ１方向の端）には、第１ターミナルプレート４６、第１絶縁プレート４８及びエンドプレート１８が外方に向かって順次配設される。セル積層体１４の積層方向他端（矢印Ｘ２方向の端）には、第２ターミナルプレート５０、第２絶縁プレート５２及び補機ケース２０が外方に向かって順次配設される。
スタックケース１６は、矢印Ｘ方向に沿って延在した四角筒形状である。スタックケース１６は、セル積層体１４を積層方向と直交する方向から覆う。エンドプレート１８は、スタックケース１６の一端部（矢印Ｘ１方向の端部）に固定されている。
補機ケース２０は、燃料電池用補機５４を保護するための保護ケースである。補機ケース２０は、スタックケース１６の他端部（矢印Ｘ２方向の端部）に固定された凹形状のケース本体５６と、ケース本体５６の矢印Ｘ２方向の開口を覆うカバー部５８とを有する。ケース本体５６は、第２絶縁プレート５２に隣接して位置するとともにエンドプレート１８との間でセル積層体１４に締付荷重を付与するエンドプレート部６０を含む。補機ケース２０内には、燃料電池用補機５４として、燃料ガス系デバイス６２と酸化剤ガス系デバイス６４とが収容されている。
図２に示すように、燃料ガス系デバイス６２は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する。燃料ガス系デバイス６２は、図示を省略するが、例えば、水素タンク、インジェクタ、エジェクタ等を含む。
酸化剤ガス系デバイス６４は、供給流路６６、排出流路６８及びバイパス流路７０を備える。供給流路６６は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する。排出流路６８には、燃料電池スタック１２から排出された酸化剤排ガス（酸化剤オフガス）が流通する。バイパス流路７０は、供給流路６６を流通する酸化剤ガス（ドライガス）を燃料電池スタック１２に通さずに排出流路６８に導く。
供給流路６６には、エアコンプレッサ７２（圧縮機）、インタークーラ７４及び加湿器７６が上流から下流に向かって順次設けられている。エアコンプレッサ７２は、モータ７８によって駆動する。インタークーラ７４は、圧縮された酸化剤ガスを冷却するものである。インタークーラ７４は、空冷式及び水冷式のいずれの方式を採用してもよい。
加湿器７６は、供給流路６６と排出流路６８とに跨って設けられている。加湿器７６は、排出流路６８を流通する酸化剤排ガス（発電セル２２の発電反応により発生した生成水を含む酸化剤排ガス）により供給流路６６を流通する酸化剤ガスを加湿する。換言すれば、加湿器７６は、排出流路６８を流通する酸化剤排ガスと供給流路６６を流通する酸化剤ガスとの間で多孔質膜を介して、水分と熱を交換する。
排出流路６８のうち加湿器７６よりも下流側には、背圧弁８０、気液分離器８２及び回生装置８４が上流から下流に向かって順次設けられている。背圧弁８０は、排出流路６８の開度を調整することにより酸化剤ガス流路４０に供給される酸化剤ガスの圧力を調整する。気液分離器８２の詳細な構成の説明については後述する。
回生装置８４は、排出流路６８に設けられたエキスパンダタービン８６と、エキスパンダタービン８６及びエアコンプレッサ７２を互いに連結する軸８８とを含む。エキスパンダタービン８６は、気液分離器８２から導かれた酸化剤排ガスによって回転する。エキスパンダタービン８６の回転エネルギは、軸８８を介してエアコンプレッサ７２に伝達される。
バイパス流路７０は、供給流路６６のうちインタークーラ７４と加湿器７６との間の部分と気液分離器８２とを互いに連結する。バイパス流路７０には、バイパス流路７０を開閉するバイパス弁９０が設けられている。
次に、図３等を参照して加湿器７６及び気液分離器８２の構成についてさらに詳細に説明する。なお、図３では、燃料ガス系デバイス６２の図示を省略している。
図３に示すように、加湿器７６は、補機ケース２０（燃料電池スタック１２の端部）に設けられている。具体的に、加湿器７６は、ケース本体５６のエンドプレート部６０に対して締結部材９２（例えば、複数のボルト）によって固定されている。ただし、加湿器７６のケース本体５６に対する固定方法は、適宜変更可能である。
気液分離器８２は、加湿器７６の下方に位置している。気液分離器８２と加湿器７６とは、連結配管９４によって互いに連結されている。すなわち、気液分離器８２は、連結配管９４を介して加湿器７６に対してマウントされている。気液分離器８２は、連結配管９４及び加湿器７６を介して補機ケース２０（燃料電池スタック１２の端部）に支持されている。連結配管９４は、排出流路６８のうち加湿器７６と気液分離器８２との間の流路を形成する。
連結配管９４は、加湿器７６から斜め下方に延出している。換言すれば、連結配管９４は、下方に向かってエンドプレート部６０から離れる方向（矢印Ｘ２方向）に延出している（図７参照）。連結配管９４内には、背圧弁８０が配設されている。連結配管９４は、加湿器７６から導出された酸化剤排ガスを気液分離器８２に導く。
図４に示すように、気液分離器８２は、酸化剤排ガスを気液分離するとともに分離された水分（液水）を貯留可能に形成されている。気液分離器８２は、下方が開口したベース部９８と、ベース部９８の開口部を下方から覆う底壁部１００とを有する。ベース部９８と底壁部１００とは、締結部材１０２（例えば、複数のボルト、図５等参照）によって互いに接合されている。
気液分離器８２は、酸化剤排ガスを水平方向（略水平方向）に流通させる第１流路１０４を形成する第１流路形成部１０６と、第１流路１０４に連通する第２流路１０８を形成する第２流路形成部１１０とを有する。
図４～図７に示すように、第１流路形成部１０６は、矢印Ｙ１方向から矢印Ｙ２方向に向かって矢印Ｘ１方向に屈曲しながら延在している。ただし、第１流路形成部１０６は、屈曲せず直線状に延在してもよい。第１流路形成部１０６は、第１部位１０６ａ、中間部位１０６ｂ及び第２部位１０６ｃを含む。第１部位１０６ａと中間部位１０６ｂとの間に屈曲部が設けられ、中間部位１０６ｂと第２部位１０６ｃとの間に屈曲部が設けられている。
第１部位１０６ａは、内部に第１空間１０４ａを形成するとともに矢印Ｙ方向に沿って延在している。図７において、第１部位１０６ａのうち矢印Ｘ１方向の側壁部には、加湿器７６から連結配管９４を介して導かれた酸化剤排ガスを第１空間１０４ａに導入するための入口１１１が形成されている。入口１１１は、斜め下方を指向している。換言すれば、入口１１１は、第１空間１０４ａを形成する壁面を指向している。
図７に示すように、第１部位１０６ａのうち入口１１１の外周側には、連結配管９４を接続するための入口側接続部１１３が設けられている。入口側接続部１１３は、例えば、連結配管９４のフランジ部１１２に対して締結部材１１４（複数組のボルト及びナット等）によって固定されている。
図５及び図６に示すように、第１部位１０６ａには、バイパス流路７０から導かれた酸化剤ガス（ドライガス）を第１流路１０４（第１空間１０４ａの上部）に導くガス導入路１１６を形成するガス導入部１１８が設けられている。ガス導入部１１８は、バイパス接続部１１８ａと内側突出部１１８ｂとを含む。バイパス接続部１１８ａは、第１部位１０６ａの矢印Ｙ１方向の端壁部（ベース部９８の矢印Ｙ１方向の端壁部）から矢印Ｙ１方向に延出した管状部である。
バイパス接続部１１８ａには、バイパス流路７０を形成するバイパス配管１２０の端部が接続（嵌合）している。バイパス接続部１１８ａの内孔１１６ａは、バイパス流路７０に連通している。バイパス接続部１１８ａは、バイパス配管１２０が接続可能であればどのように構成されてもよい。
内側突出部１１８ｂは、バイパス接続部１１８ａの矢印Ｙ２方向の端部から矢印Ｙ２方向に向かって第１空間１０４ａの上部（上部空間）に突出している。内側突出部１１８ｂには、バイパス接続部１１８ａの内孔１１６ａに連通する貫通孔１１６ｂが形成されている。内側突出部１１８ｂの貫通孔１１６ｂは、矢印Ｙ２方向に開口している。内側突出部１１８ｂの貫通孔１１６ｂを形成する内面とバイパス接続部１１８ａの内孔１１６ａを形成する内面とは、段差なく滑らかに連結している。
内側突出部１１８ｂの突出端は、入口１１１よりも矢印Ｙ２方向側に位置している。内側突出部１１８ｂの上部は、第１部位１０６ａの上壁部に連結している。内側突出部１１８ｂの下端は、入口１１１の上端よりも下方に位置している。内側突出部１１８ｂの下端と底壁部１００との間には、入口１１１から流入した酸化剤排ガスが流通する隙間が形成されている（図７参照）。
図６に示すように、中間部位１０６ｂは、内部に接続空間１０４ｂを形成するとともに第１部位１０６ａの他端部（矢印Ｙ２方向の端部）から矢印Ｙ２方向に向かって矢印Ｘ１方向に傾斜するように延出している。接続空間１０４ｂは、第１空間１０４ａに連通している。
第２部位１０６ｃは、内部に第２空間１０４ｃを形成するとともに中間部位１０６ｂの延出端から矢印Ｘ１方向に延出している。第２空間１０４ｃは、接続空間１０４ｂに連通している。第２部位１０６ｃの底部（底壁部１００）には、気液分離器８２内に貯留された水分を外部に排水するためのドレン配管１２２が接続されている（図５及び図８参照）。ドレン配管１２２の気液分離器８２側の開口部（接続部）は、気液分離器８２内の貯留水の液面よりも下方に位置している。ドレン配管１２２の気液分離器８２側の開口部（接続部）は、第２流路１０８の下方に位置している。第１空間１０４ａ、接続空間１０４ｂ及び第２空間１０４ｃは、第１流路１０４を形成する。
図８において、第２流路１０８の流路断面積は、第１流路１０４の流路断面積よりも大きい。第２流路形成部１１０は、第２部位１０６ｃから上方に直角（略直角）に屈曲した第１屈曲部１１０ａと、第１屈曲部１１０ａから上方に延出した上方延出部１１０ｂと、上方延出部１１０ｂの上端部から矢印Ｘ２方向に直角（略直角）に屈曲した第２屈曲部１１０ｃとを有する。
第１屈曲部１１０ａは、内部に第１屈曲流路１０８ａを形成する。第１屈曲流路１０８ａは、第１流路１０４から導かれた酸化剤排ガスを上方に導く。換言すれば、第１屈曲流路１０８ａは、酸化剤排ガスの流れを水平方向から上方向に変える。第１屈曲部１１０ａは、第１屈曲部１１０ａの矢印Ｘ１方向の端部に位置して第２空間１０４ｃから導かれた酸化剤排ガスが当たる第１分離壁部１２４を含む。
上方延出部１１０ｂは、内部に上方流通流路１０８ｂを形成する。上方流通流路１０８ｂは、第１屈曲流路１０８ａから導かれた酸化剤排ガスを上方に流通させる。上方延出部１１０ｂは、上下方向（鉛直方向）に沿って延在している。
第２屈曲部１１０ｃは、内部に第２屈曲流路１０８ｃを形成する。第２屈曲流路１０８ｃは、上方流通流路１０８ｂから導かれた酸化剤排ガスを水平方向（矢印Ｘ２方向）に導く。換言すれば、第２屈曲流路１０８ｃは、酸化剤排ガスの流れを上方向から水平方向に変える。第２屈曲部１１０ｃは、第２屈曲部１１０ｃの上端部に位置して上方流通流路１０８ｂから導かれた酸化剤排ガスが当たる第２分離壁部１２６を含む。
第１屈曲部１１０ａの屈曲角度は、直角に限定されず、適宜変更可能である。第１屈曲部１１０ａは、第２部位１０６ｃに対して上方に屈曲していればよい。第２屈曲部１１０ｃの屈曲角度は、直角に限定されず、適宜変更可能である。第２屈曲部１１０ｃは、上方延出部１１０ｂの上端部に対して矢印Ｘ２方向に屈曲していればよい。
第２屈曲部１１０ｃには、矢印Ｘ２方向に開口した出口１２８が形成されている。すなわち、出口１２８は、入口１１１よりも上方に位置している（図４参照）。第２屈曲部１１０ｃには、管状の出口側接続部１３０が設けられている。
出口側接続部１３０には、導出流路１３１を形成する導出配管１３２の端部が接続（嵌合）している。出口側接続部１３０は、導出配管１３２が接続可能であればどのように構成されてもよい。導出流路１３１は、排出流路６８のうち気液分離器８２とエキスパンダタービン８６との間の流路を形成する（図２参照）。導出流路１３１は、下流側に向かって下方に延在している。
次に、燃料電池システム１０の動作について説明する。
図２において、燃料ガスは、燃料ガス系デバイス６２から燃料電池スタック１２の燃料ガス入口３８ａに供給される。燃料ガス入口３８ａに供給された燃料ガスは、各発電セル２２の燃料ガス流路３６に導入されてアノード電極３２に供給される（図１参照）。
酸化剤ガスは、供給流路６６からエアコンプレッサ７２、インタークーラ７４及び加湿器７６を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４２ａに供給される。酸化剤ガス入口４２ａに供給された酸化剤ガスは、各発電セル２２の酸化剤ガス流路４０に導入されてカソード電極３４に供給される（図１参照）。
従って、図１において、各ＭＥＡ２４では、アノード電極３２に供給された燃料ガスとカソード電極３４に供給された酸化剤ガス中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。この際、カソード電極３４では生成水が発生する。
図２に示すように、アノード電極３２に供給されて一部が消費された燃料ガス（燃料排ガス）は、燃料電池スタック１２の燃料排ガス出口３８ｂに排出される。カソード電極３４に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、生成水を含んだ酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス出口４２ｂに排出される。
酸化剤排ガス出口４２ｂに排出された酸化剤排ガスは、排出流路６８を流通して加湿器７６に導入される。そして、加湿器７６において、排出流路６８を流通する酸化剤排ガスと供給流路６６を流通する酸化剤ガスとの間で水分及び熱が交換される。すなわち、酸化剤排ガスによって酸化剤ガスが加湿及び昇温される。
図３、図４及び図７に示すように、加湿器７６から導出された酸化剤排ガスは、連結配管９４を介して気液分離器８２の入口１１１から第１空間１０４ａ（第１流路１０４）に導入される。この際、入口１１１から第１空間１０４ａに導入された酸化剤排ガスは、内側突出部１１８ｂに当たることにより下方に向きを変える（図７参照）。換言すれば、入口１１１から第１空間１０４ａに導入された酸化剤排ガスは、内側突出部１１８ｂによってダウンフロー化する。
このため、酸化剤排ガスに含まれている水分は、気液比重差による慣性力によって内側突出部１１８ｂの外面に付着する。内側突出部１１８ｂの外面に付着した水分は、酸化剤排ガスによって下方に流され、気液分離器８２の底部に貯留される。
入口１１１から導かれた酸化剤排ガスは、図６に示すように、第１空間１０４ａ、接続空間１０４ｂ及び第２空間１０４ｃを介して第１屈曲流路１０８ａに導かれる。そして、第１屈曲流路１０８ａに導かれた酸化剤排ガスは、図８に示すように、第１屈曲部１１０ａの第１分離壁部１２４に当たることにより上方に向きを変える。この際、酸化剤排ガスに含まれている水分は、気液比重差による慣性力によって第１分離壁部１２４に付着する。第１分離壁部１２４に付着した水分は、重力の作用によって下方に流れ、気液分離器８２の底部に貯留される。
第１屈曲流路１０８ａを上方に流れた酸化剤排ガスは、上方流通流路１０８ｂを介して第２屈曲流路１０８ｃに導かれ、第２屈曲部１１０ｃの第２分離壁部１２６に当たることにより矢印Ｘ２方向に向きを変える。この際、酸化剤排ガスに含まれている水分は、気液比重差による慣性力によって第２分離壁部１２６に付着する。第２分離壁部１２６に付着した水分は、重力の作用によって上方延出部１１０ｂ及び第１屈曲部１１０ａの内面を伝い、気液分離器８２の底部に貯留される。
また、第２流路１０８の流路断面積が第１流路１０４の流路断面積よりも大きいため、第１流路１０４から第２流路１０８に導かれた際に酸化剤排ガスの流速が低下する。そのため、第２流路１０８を上方に流通する酸化剤排ガスは、気液分離器８２の底部に貯留されている液水（貯留水）を上方に持ち上げ難くなる。つまり、貯留水が酸化剤排ガスとともに第２流路形成部１１０を乗り越えて気液分離器８２の下流側に流れ出すことが効果的に抑えられる。
第２屈曲流路１０８ｃを矢印Ｘ２方向に流れた酸化剤排ガスは、出口１２８から導出されて導出流路１３１を下方に流れ、エキスパンダタービン８６に導かれる。エキスパンダタービン８６に導かれた酸化剤排ガスは、気液分離器８２によって水分が十分に除去されているため、エキスパンダタービン８６に水分が付着することが抑えられる。すなわち、エキスパンダタービン８６の回転効率（回生効率）が水分によって低下したり、エキスパンダタービン８６が水分によって錆びたり、エキスパンダタービン８６が水分の凍結によって作動させることができなくなるといった問題を回避できる。
一方、例えば、燃料電池スタック１２の発電停止時には、バイパス弁９０によってバイパス流路７０が開放される。この場合、図２に示すように、供給流路６６を流通する酸化剤ガスは、バイパス流路７０を介して気液分離器８２のガス導入路１１６（図５及び図６参照）に導入される。
図５において、ガス導入路１１６に導かれた酸化剤ガスは、第１流路１０４の上部空間を通り第２流路１０８に導かれる。すなわち、バイパス流路７０から導かれた酸化剤ガスは第１流路１０４の上部空間を流れ、入口１１１から導かれた酸化剤排ガスは第１流路１０４の下部空間を流れる。これにより、酸化剤ガスと酸化剤排ガスとが互いに混流することが抑制される。酸化剤ガスの水分含有率は、酸化剤排ガスの水分含有率よりも低い。よって、エキスパンダタービン８６に水分が流入することを抑えることができる。
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。
燃料電池システム１０の気液分離器８２には、酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路１０４と、第１流路１０４に連通する第２流路１０８と、酸化剤排ガスを第１流路１０４に導入する入口１１１と、第２流路１０８を流通する酸化剤排ガスを導出する出口１２８とが設けられている。第２流路１０８は、第１流路１０４から導かれた酸化剤排ガスを上方に導く第１屈曲流路１０８ａを含んでいる。
このような構成によれば、気液分離器８２の入口１１１から導入された酸化剤排ガスは、第１流路形成部１０６の第１流路１０４を水平方向に流通した後、第２流路１０８の第１屈曲流路１０８ａで上方に向きを変える。この際、気液比重差による慣性力によって酸化剤排ガスに含まれる水分が第１屈曲流路１０８ａを形成する第１分離壁部１２４に付着する。これにより、酸化剤排ガスから水分を効果的に分離することができる。
第１屈曲流路１０８ａは、直角に屈曲している。
このような構成によれば、酸化剤排ガスから水分を一層効果的に分離することができる。
第２流路１０８は、第１屈曲流路１０８ａから導かれた酸化剤排ガスを上方に流通させる上方流通流路１０８ｂと、上方流通流路１０８ｂから導かれた酸化剤排ガスを水平方向（略水平方向）に導く第２屈曲流路１０８ｃを含む。
このような構成によれば、第１屈曲流路１０８ａから導かれた酸化剤排ガスは、上方流通流路１０８ｂを上方に流通した後、第２屈曲流路１０８ｃで水平方向（略水平方向）に向きを変える。この際、気液比重差による慣性力によって酸化剤排ガスに含まれる水分が第２屈曲流路１０８ｃを形成する第２分離壁部１２６に付着する。これにより、酸化剤排ガスから水分をより効果的に分離することができる。
第２屈曲流路１０８ｃは、直角に屈曲している。
このような構成によれば、酸化剤排ガスから水分をさらに効果的に分離することができる。
気液分離器８２は、燃料電池スタック１２における複数の発電セル２２の積層方向の端部（補機ケース２０）に支持されている。
このような構成によれば、燃料電池システム１０の構成をコンパクトにすることができる。
燃料電池システム１０は、排出流路６８を流通する酸化剤排ガスにより供給流路６６を流通する酸化剤ガスを加湿する加湿器７６と、加湿器７６と気液分離器８２とを互いに連結するとともに加湿器７６から導出された酸化剤排ガスを入口１１１に導く連結配管９４とを備える。加湿器７６は、燃料電池スタック１２の端部（補機ケース２０）に設けられ、気液分離器８２は、連結配管９４を介して加湿器７６にマウントされている。
このような構成によれば、燃料電池システム１０の構成を一層コンパクトにすることができる。
燃料電池システム１０は、供給流路６６を流通する酸化剤ガスの少なくとも一部を第１流路１０４に導くバイパス流路７０を備える。
このような構成によれば、酸化剤排ガスの水分含有率よりも低い水分含有率の酸化剤ガスがバイパス流路７０から第１流路１０４に導かれるため、気液分離器８２よりも下流側に導かれる水分量を効果的に減らすことができる。
入口１１１は、第１流路１０４を形成する壁部を指向している。
このような構成によれば、入口１１１から第１流路１０４に流入した酸化剤排ガスは、第１流路１０４を形成する壁部に当たる。そのため、酸化剤排ガスに含まれる水分を当該壁部に付着させることができる。
排出流路６８のうち気液分離器８２よりも下流側には、酸化剤排ガスのエネルギを回生するための回生装置８４が設けられている。
このような構成によれば、回生装置８４に水分が浸入することを抑えることができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
図９Ａに示すように、気液分離器８２には、連結配管９４（排出流路６８）に代えて連結配管９４ａ（排出流路６８ａ）が連結されてもよい。連結配管９４ａは、鉛直方向に沿って延在している。連結配管９４ａは、気液分離器８２の第１流路形成部１０６の上部に連結している、すなわち、加湿器７６から連結配管９４ａ内を鉛直下方に流通した酸化剤排ガスは、鉛直上方から気液分離器８２内に導入する。
連結配管９４ａ内には、背圧弁８０が設けられている。背圧弁８０は、例えば、バタフライバルブであって、弁体８１が水平方向に延在した状態で排出流路６８ａを閉塞し、弁体８１が水平方向に対して傾斜した状態（例えば、鉛直方向に延在した状態）で排出流路６８ａを開放する。このような変形例によれば、連結配管９４ａ及び背圧弁８０に付着した水滴は、酸化剤排ガスのダウンフローによって気液分離器８２内に効率的に集められる。
図９Ｂに示すように、気液分離器８２には、連結配管９４（排出流路６８）に代えて連結配管９４ｂ（排出流路６８ｂ）が連結されてもよい。連結配管９４ｂは、加湿器７６から鉛直下方に延出した第１配管部９５と、第１配管部９５の下端部から屈曲部９７を介して水平方向に延出した第２配管部９９とを有する。第２配管部９９は、気液分離器８２の側面の上部に連結している。
気液分離器８２に対する第２配管部９９の連結部位は、気液分離器８２内に貯留水の液面よりも高い位置（上方）にある。そのため、車両傾斜時であっても気液分離器８２内の貯留水が第２配管部９９に流入することを抑制できる。加湿器７６から第１配管部９５内を鉛直下方に流通した酸化剤排ガスは、屈曲部９７を通り第２配管部９９内を水平方向に流通し、水平方向から気液分離器８２内に導入する。
第２配管部９９内には、背圧弁８０が設けられている。背圧弁８０は、例えば、バタフライバルブであって、弁体８１が鉛直方向に延在した状態で排出流路６８ｂを閉塞し、弁体８１が鉛直方向に対して傾斜した状態（例えば、水平方向に延在した状態）で排出流路６８ｂを開放する。このような変形例によれば、連結配管９４ｂ及び背圧弁８０に付着した水滴は、酸化剤排ガスによって気液分離器８２内に集められる。
図１０に示すように、気液分離器８２は、ベース部９８に代えてベース部９８ａを備えてもよい。ベース部９８ａのうち第１流路１０４を形成する部分には、複数の流路収縮部１０１と複数の流路拡張部１０３とが設けられている。流路収縮部１０１と流路拡張部１０３とは、第１流路１０４の酸化剤ガス及び酸化剤排ガスの流通方向に交互に設けられている。
流路収縮部１０１の流路断面積（流路幅）は、流路拡張部１０３の流路断面積（流路幅）よりも小さい（狭い）。ここで、流路幅とは、第１流路１０４の水平方向の幅である。ベース部９８ａの外側面には、流路収縮部１０１と流路拡張部１０３とによって締結部材１０２を配置可能な凹部１０５が形成されている。このようなベース部９８ａは、上述したベース部９８よりも、より一層の効果を奏する。
気液分離器８２に対するバイパス配管１２０の接続位置は、背圧弁８０よりも下流側且つエキスパンダタービン８６よりも上流側の範囲であれば適宜変更してよい。つまり、バイパス配管１２０は、例えば、第２流路形成部１１０（例えば、上方延出部１１０ｂ又は第２屈曲部１１０ｃ等）に接続してもよいし、導出配管１３２に接続してもよい。
以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。
上記実施形態は、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発電セル（２２）が複数積層された燃料電池スタック（１２）と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための供給流路（６６）と、前記燃料電池スタックから排出された酸化剤排ガスが流通する排出流路（６８、６８ａ、６８ｂ）と、前記排出流路に設けられて前記酸化剤排ガスを気液分離する気液分離器（８２）と、を備えた燃料電池システム（１０）であって、前記気液分離器には、前記酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路（１０４）と、前記第１流路に連通する第２流路（１０８）と、前記酸化剤排ガスを前記第１流路に導入する入口（１１１）と、前記第２流路を流通する前記酸化剤排ガスを導出する出口（１２８）と、が設けられ、前記第２流路は、前記第１流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に導く屈曲流路（１０８ａ）を含む、燃料電池システムを開示している。
上記の燃料電池システムにおいて、前記屈曲流路は、直角に屈曲してもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記屈曲流路は、第１屈曲流路（１０８ａ）であり、前記第２流路は、前記第１屈曲流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に流通させる上方流通流路（１０８ｂ）と、前記上方流通流路から導かれた前記酸化剤排ガスを水平方向に導く第２屈曲流路（１０８ｃ）とを含んでもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記第２屈曲流路は、直角に屈曲してもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、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前記発電セルの積層方向の端部（２０）に支持されてもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記排出流路を流通する前記酸化剤排ガスにより前記供給流路を流通する前記酸化剤ガスを加湿する加湿器（７６）と、前記加湿器と前記気液分離器とを互いに連結するとともに前記加湿器から導出された前記酸化剤排ガスを前記入口に導く連結配管（９４、９４ａ、９４ｂ）と、を備え、前記加湿器は、前記燃料電池スタックの前記端部に設けられ、前記気液分離器は、前記連結配管を介して前記加湿器にマウントされてもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記供給流路を流通する前記酸化剤ガスの少なくとも一部を前記第１流路に導くバイパス流路（７０）を備えてもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記入口は、前記第１流路を形成する壁部に指向してもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記排出流路は、前記出口から導出された前記酸化剤排ガスを下方に向かって流通させる導出流路（１３１）を備えてもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記排出流路のうち前記気液分離器よりも下流側には、前記酸化剤排ガスのエネルギを回生するための回生装置（８４）が設けられてもよい。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
２０…補機ケース ２２…発電セル
６６…供給流路 ６８、６８ａ、６８ｂ…排出流路
７０…バイパス流路 ７６…加湿器
８２…気液分離器 ８４…回生装置
９４…連結配管 １０４…第１流路
１０６…第１流路形成部 １０８…第２流路
１０８ａ…第１屈曲流路（屈曲流路） １０８ｂ…上方流通流路
１０８ｃ…第２屈曲流路 １１０…第２流路形成部
１１０ａ…第１屈曲部 １１０ｂ…上方延出部
１１０ｃ…第２屈曲部 １１１…入口
１２８…出口 １３１…導出流路

Claims (7)

  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発電セルが複数積層された燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための供給流路と、
    前記燃料電池スタックから排出された酸化剤排ガスが流通する排出流路と、
    前記排出流路に設けられて前記酸化剤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、
    前記気液分離器には、
    前記酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路と、
    前記第１流路に連通する第２流路と、
    前記酸化剤排ガスを前記第１流路に導入する入口と、
    前記第２流路を流通する前記酸化剤排ガスを導出する出口と、が設けられ、
    前記第２流路は、
    前記第１流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に導く第１屈曲流路と、
    前記第１屈曲流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に流通させる上方流通流路と、
    前記上方流通流路から導かれた前記酸化剤排ガスを水平方向に導く第２屈曲流路と、を含み、
    前記第１屈曲流路に導入される前記酸化剤排ガスの流通方向と前記第２屈曲流路から導出される前記酸化剤排ガスの流通方向とは、互いに逆向きである、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、
    前記気液分離器は、前記燃料電池スタックにおける複数の前記発電セルの積層方向の端部に支持されている、燃料電池システム。
  3. 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発電セルが複数積層された燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための供給流路と、
    前記燃料電池スタックから排出された酸化剤排ガスが流通する排出流路と、
    前記排出流路に設けられて前記酸化剤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、
    前記気液分離器には、
    前記酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路と、
    前記第１流路に連通する第２流路と、
    前記酸化剤排ガスを前記第１流路に導入する入口と、
    前記第２流路を流通する前記酸化剤排ガスを導出する出口と、が設けられ、
    前記第２流路は、前記第１流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に導く屈曲流路を含み、
    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前記発電セルの積層方向の端部に支持され、
    前記燃料電池システムは、
    前記排出流路を流通する前記酸化剤排ガスにより前記供給流路を流通する前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
    前記加湿器と前記気液分離器とを互いに連結するとともに前記加湿器から導出された前記酸化剤排ガスを前記入口に導く連結配管と、を備え、
    前記加湿器は、前記燃料電池スタックの前記端部に設けられ、
    前記気液分離器は、前記連結配管を介して前記加湿器にマウントされている、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、
    前記供給流路を流通する前記酸化剤ガスの少なくとも一部を前記第１流路に導くバイパス流路を備える、燃料電池システム。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記入口は、前記第１流路を形成する壁部を指向している、燃料電池システム。
  6. 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発電セルが複数積層された燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための供給流路と、
    前記燃料電池スタックから排出された酸化剤排ガスが流通する排出流路と、
    前記排出流路に設けられて前記酸化剤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、
    前記気液分離器には、
    前記酸化剤排ガスを水平方向に流通させる第１流路と、
    前記第１流路に連通する第２流路と、
    前記酸化剤排ガスを前記第１流路に導入する入口と、
    前記第２流路を流通する前記酸化剤排ガスを導出する出口と、が設けられ、
    前記第２流路は、前記第１流路から導かれた前記酸化剤排ガスを上方に導く屈曲流路を含み、
    前記排出流路は、前記出口から導出された前記酸化剤排ガスを下方に向かって流通させる導出流路を備える、燃料電池システム。
  7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記排出流路のうち前記気液分離器よりも下流側には、前記酸化剤排ガスのエネルギを回生するための回生装置が設けられている、燃料電池システム。
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