JP7141380B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置を備える燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにアノードガス（水素等の燃料ガス）を供給すると共に燃料電池スタックからアノードオフガスを排出するアノードガス系装置と、燃料電池スタックにカソードガス（エア等の酸化剤ガス）を供給すると共に燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える。
例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの一方のエンドプレートの側方にアノードガス系装置及びカソードガス系装置を備えた燃料電池システムが開示されている。また特許文献１において、カソードガス系装置の補機である加湿器は、アノードガス系装置（燃料ガスユニット）の下方に隣接して配置されている。
特許第５９６５４２３号公報
ところで、燃料電池スタック内には、発電に伴って水（生成水）が生じ、カソードオフガスと共にカソードガス系装置の排出系に排出される。外気温が低下した際、この水は、カソードガス系装置の補機において凍結すると補機に不具合を生じさせる原因となり、また長時間滞留することでカソードガス系装置の配管や補機等に錆を生じさせる原因となる。すなわち、燃料電池システムは、燃料電池スタックで生成される水をカソードガス系装置の配管や補機に留まらせずに円滑に排出する構造が求められている。
本発明は、上記の燃料電池システムの技術に関連するものであり、燃料電池スタックで生成される水をカソードガス系装置から円滑に排出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。
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、前記燃料電池スタックは、複数の発電セルの積層方向一端に補機ケースを備え、前記加湿器及び前記気液分離装置は前記補機ケースの内部に設けられる一方で、前記エキスパンダは前記補機ケースの外部に設けられる燃料電池システムである。
本発明の第２の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、前記気液分離装置は、前記加湿器から流入する前記カソードオフガスの重力方向下方の経路を直線状に延長した方向に前記液水を流出させる燃料電池システムである。
上記の燃料電池システムは、加湿器、気液分離装置及びエキスパンダを重力方向下方に向かって順に配置したことで、燃料電池スタックで生成される水（生成水）を、当該水の自重により円滑に排出することができる。これにより、燃料電池システムは、外気温が低下した際、水の凍結による補機の不具合、水の滞留による錆等を良好に抑制することができる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを部分的に示す説明図である。 燃料電池スタック及び補機ケースの正面断面図である。 図１の燃料電池システムのカソードガス系装置の配管構造を示す側面図である。 カソードガス系装置の流体の流通を示す側面図である。 燃料電池車両の後方に向かう加速度を受けた場合の排水管の状態を示す部分断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを部分的に示す説明図である。 図６の燃料電池システムのカソードガス系装置の配管構造を示す側面図である。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２、アノードガス系装置１４及びカソードガス系装置１６を備える。燃料電池スタック１２は、アノードガス系装置１４から供給されるアノードガス（水素等の燃料ガス）と、カソードガス系装置１６から供給されるカソードガス（エア等の酸化剤ガス）とに基づき発電を行う。この燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両１１（以下、単に車両１１ともいう）の図示しないモータルーム等に搭載される。
図２に示すように、燃料電池スタック１２は、アノードガスとカソードガスの電気化学反応により発電を行う複数の発電セル１８を有する。複数の発電セル１８は、燃料電池スタック１２を車両１１に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車長方向（紙面手前及び紙面奥方向：矢印Ａ方向）に直交する車幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って積層された積層体２０に構成されている。なお、複数の発電セル１８は、車長方向や重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されていてもよい。
発電セル１８は、図示しない電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ」という）と、ＭＥＡを挟持する図示しない２つのセパレータとで構成される。隣り合う発電セル１８同士のセパレータは、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合され、一体的な接合セパレータに構成される。
発電セル１８のＭＥＡは、電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極とを有する（共に不図示）。２つのセパレータは、ＭＥＡと対向し合う面の各々に、アノードガスを流通させるアノードガス流路と、カソードガスを流通させるカソードガス流路とを形成する。また、２つのセパレータ同士が対向し合う面には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される。アノードガス流路、カソードガス流路、冷却媒体流路は、各流体を矢印Ａ方向に流通させる。
また、複数の発電セル１８（積層体２０）は、アノードガス、カソードガス及び冷却媒体を、発電セル１８の積層方向（矢印Ｂ方向）に沿ってセパレータ面の各々に独立して流通させる複数の連通孔（アノードガス連通孔２２、カソードガス連通孔２４、冷却媒体連通孔２６）を備える。積層体２０内において、アノードガス連通孔２２はアノードガス流路に連通し、カソードガス連通孔２４はカソードガス流路に連通し、冷却媒体連通孔２６は冷却媒体流路に連通している。
燃料電池スタック１２に供給されたアノードガスは、アノードガス連通孔２２（アノード入口連通孔）を流通してアノードガス流路に流入する。アノード電極で発電に使用されたアノードオフガスは、アノードガス流路からアノードガス連通孔２２（アノード出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２の外部に排出される。
燃料電池スタック１２に供給されたカソードガスは、カソードガス連通孔２４（カソード入口連通孔）を流通してカソードガス流路に流入する。カソード電極で発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路からカソードガス連通孔２４（カソード出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２の外部に排出される。
燃料電池スタック１２に供給された冷却媒体は、冷却媒体連通孔２６（冷却媒体入口連通孔）を流通して冷却媒体流路に流入される。発電セル１８を冷却した冷却媒体は、冷却媒体流路から冷却媒体連通孔２６（冷却媒体出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２の外部に排出される。
さらに、本実施形態に係る燃料電池スタック１２は、スタックケース２８に積層体２０を収容している。スタックケース２８の発電セル１８の積層方向（矢印Ｂ方向）の両側面には、スタックケース２８の内部空間に連通する開孔２８ａが形成されている。
積層体２０の矢印Ｂ方向の一端側（矢印Ｂｒ方向）には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートが外方に向かって配置され、これらはスタックケース２８内に収容される。スタックケース２８の矢印Ｂｒ方向には、スタックケース２８の開孔２８ａを閉塞するエンドプレート３０が取り付けられる。エンドプレート３０は、発電セル１８の積層方向に締付荷重を付与する。
積層体２０の矢印Ｂ方向の他端方向（矢印Ｂｌ方向）には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートが外方に向かって配置され、これらはスタックケース２８内に収容される。そして、スタックケース２８の矢印Ｂｌ方向には、開孔２８ａを閉塞するように補機ケース３２が取り付けられる。
補機ケース３２は、燃料電池システム１０の補機３４や配管３６の一部を収容及び保護するための保護筐体であり、スタックケース２８の矢印Ｂｌ方向に固定される。補機ケース３２は、スタックケース２８に接合される凹形状の第１ケース部材３８と、第１ケース部材３８に接合される凹形状の第２ケース部材４０とを備え、これらの部材の内部に、補機３４や配管３６を収納する収納空間３２ａを有する。
第１ケース部材３８は、ボルトによりスタックケース２８に接合され、スタックケース２８の内部空間と補機ケース３２の収納空間３２ａとを区画する取付壁部４２と、取付壁部４２の外縁に連なると共に矢印Ｂｌ方向に突出する周壁４４とを有する。取付壁部４２は、発電セル１８の積層体２０に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレートとしての機能を有している。取付壁部４２には、発電セル１８のアノードガス連通孔２２、カソードガス連通孔２４、冷却媒体連通孔２６にそれぞれ連通して、流体の流通用の配管３６を接続する孔部４２ａが設けられている。
また、補機ケース３２内は、取付壁部４２に隣接して主にアノードガス系装置１４が設けられる第１空間４６と、第１空間４６に隣接して主にカソードガス系装置１６が設けられる第２空間４８とを有する。本実施形態に係る燃料電池システム１０の配管構造５０は、主にカソードガス系装置１６に関わり、その一部が補機ケース３２内の第２空間４８に設けられると共に、他部が補機ケース３２の外部に設けられる。
図１に戻り、次にカソードガス系装置１６の全体構成について説明する。カソードガス系装置１６は、配管構造５０を構成する配管３６として、外部のカソードガス（エア）を燃料電池スタック１２に供給する供給管５２と、燃料電池スタック１２から外部にカソードオフガスを排出する排出管５４とを有する。さらに、カソードガス系装置１６は、供給管５２と排出管５４の間を接続するバイパス管５６を有する。バイパス管５６は、供給管５２を流通するカソードガスを、燃料電池スタック１２に通さずに排出管５４に流通させる。
カソードガス系装置１６は、供給管５２及び排出管５４の途上に複数種類の補機３４を備える。具体的には、カソードガス系装置１６の供給管５２には、カソードガスの流通方向上流側から下流側に向かって順に、エアクリーナ５８、コンプレッサ９６（コンプレッサユニット６０）、インタークーラ６２、加湿器６４及び供給側気液分離装置６６が設けられる。このため、供給管５２は、エアクリーナ５８とコンプレッサ９６の間を接続する第１供給管６８、コンプレッサ９６とインタークーラ６２の間を接続する第２供給管７０、インタークーラ６２と加湿器６４の間を接続する第３供給管７２、加湿器６４と供給側気液分離装置６６の間を接続する第４供給管７４、及び供給側気液分離装置６６と燃料電池スタック１２の間を接続する第５供給管７６を含んで構成される。
また、カソードガス系装置１６の排出管５４には、カソードオフガスの流通方向上流側から下流側に向かって順に、加湿器６４、排出側気液分離装置７８、エキスパンダ９８（コンプレッサユニット６０）、希釈装置８０が設けられる。このため、排出管５４は、燃料電池スタック１２と加湿器６４の間を接続する第１排出管８２、加湿器６４と排出側気液分離装置７８の間を接続する第２排出管８４、排出側気液分離装置７８とエキスパンダ９８の間を接続する第３排出管８６、及びエキスパンダ９８と希釈装置８０の間を接続する第４排出管８８を含んで構成される。
エアクリーナ５８は、図示しない除去フィルタを内部に有し、外部から取り込んだエアに含まれる異物（ゴミ、塵芥、水等）を取り除き、このエアを第１供給管６８に流出する。
コンプレッサユニット６０は、ステータ（不図示）及びロータ９０を筐体９２（図３も参照）内に有し、燃料電池システム１０の電源（燃料電池スタック１２、図示しないバッテリ）から供給される電力によりロータ９０を回転させるモータ機構９４を備える。ロータ９０は、コンプレッサ９６を構成する第１フィン９６ａを一端に有すると共に、エキスパンダ９８を構成する第２フィン９８ａを他端に有する。また、筐体９２は、第１及び第２供給管６８、７０が連通すると共に第１フィン９６ａを収容するコンプレッサ９６の供給用空間と、第３及び第４排出管８６、８８が連通すると共に第２フィン９８ａを収容するエキスパンダ９８の排出用空間とを備える。
コンプレッサユニット６０は、インバータ装置（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ：ＰＤＵ６０ａ）の電力供給に基づき、ロータ９０の回転速度が調整される。コンプレッサ９６は、ロータ９０（第１フィン９６ａ）の回転により供給管５２の第１供給管６８からカソードガスを吸引して、第２供給管７０に圧縮されたカソードガス（圧縮エア）を流出させる。
インタークーラ６２は、第２供給管７０を介してコンプレッサ９６から流入されるカソードガスを冷却して、第３供給管７２に流出させる。インタークーラ６２は、空冷式と水冷式の一方又は両方を採ることができる。第３供給管７２には、上記のバイパス管５６の一端が接続される。
加湿器６４は、第３供給管７２から供給されるカソードガスを、排出管５４のカソードオフガスを利用して加湿する。すなわち、カソードオフガスには、燃料電池スタック１２の発電で生じた水（生成水）が含まれており、加湿器６４は、この水を移動させてカソードガスを加湿し、第４供給管７４にカソードガスを流出させる。
供給側気液分離装置６６は、加湿されたカソードガスが供給され、カソードガスから水分を分離し適宜の湿潤状態として、第５供給管７６にカソードガスを流出させる。第５供給管７６は、燃料電池スタック１２のカソードガス連通孔２４に連通する孔部４２ａ（図２参照）に接続され、カソードガスを燃料電池スタック１２に供給する。
また、燃料電池システム１０は、アノードガス系装置１４にアノードオフガスの流路を開閉するバルブ１０６を備える。すなわち、燃料電池システム１０は、適宜のタイミングでバルブ１０６を開閉することで、アノードガス系装置１４の気液分離装置１４ａに流入したアノードオフガス（水及び水素ガス）をカソードガス系装置１６の排出系に排出する。
さらに、供給側気液分離装置６６には、排水管１０８が接続され、この排水管１０８は、所定経路を通って第４排出管８８に接続されている。排水管１０８の途中位置には、排水する水の量を調整するオリフィス１１０が設けられている。
一方、カソードガス系装置１６の第１排出管８２には、上記したように、燃料電池スタック１２の発電時に生じた水と共にカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、第１排出管８２から加湿器６４に流入して供給側のカソードガスを加湿する。加湿器６４の下流側に接続される第２排出管８４には、加湿に利用されなかった水と共にカソードオフガスが流出される。
また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の水をカソードガス連通孔２４から排出するために、スタックケース２８と第４排出管８８の間にドレン排出管１００を備える。このドレン排出管１００の途中位置には、ドレン排出管１００の流路を開閉するバルブ１０２が設けられる。さらに、第１排出管８２の途中位置には、第１排出管８２とドレン排出管１００との間を接続する分岐管８３が設けられている。すなわち、第１排出管８２を流通する水の一部は、バルブ１０２の開状態で、加湿器６４の上流側から分岐管８３に流入して第４排出管８８に排出される。
加湿器６４のカソードオフガスの流通方向下流側に接続される第２排出管８４には、カソードガスの圧力を調整する背圧弁１１２が設けられている。背圧弁１１２は、例えばバタフライバルブとして構成され、燃料電池スタック１２に要求される発電電流値、図示しない圧力センサや流量センサで検出される圧力値や流量値に基づきその開度が制御される。
排出側気液分離装置７８は、第２排出管８４から流入されるカソードオフガスを、気体（主にエア）と液体（液水）に分離して水分を除去することで、カソードオフガス中の水分濃度を低下させる。この排出側気液分離装置７８には、第２及び第３排出管８４、８６の他に、排水管１１４が接続されている。排水管１１４は、コンプレッサユニット６０に導出される第４排出管８８に接続されている。また排水管１１４にはバルブ１１６が設けられている。バルブ１１６は、開弁により排出側気液分離装置７８内の液水を排出し、閉弁により排出側気液分離装置７８内の液水の排出を遮断する。
排出側気液分離装置７８は、気体に可及的に水を含まない状態として、この気体（カソードオフガス）を第３排出管８６に流出させる。このため例えば、排出側気液分離装置７８は、重力方向に適度な深さを有する筒体７８ａに形成されている（図３も参照）。第３排出管８６は、このカソードオフガスをエキスパンダ９８に流通させる。
エキスパンダ９８は、カソードオフガスにより第２フィン９８ａが回転することで、カソードオフガスの流体エネルギをコンプレッサ９６に伝達する。すなわち流体エネルギの再生装置として機能する。またエキスパンダ９８は、流体エネルギの回収に伴いカソードオフガスを膨張することでカソードオフガスの圧力を低下させ、このカソードオフガスを第４排出管８８に流出させる。
第３排出管８６の途中位置には、バイパス管５６の他端が接続されている。バイパス管５６には、管内を開閉するバイパス弁１２０が設けられる。バイパス弁１２０は、燃料電池システム１０のＥＣＵの制御下に適宜開閉することで、供給管５２のカソードガスを排出管５４に流通させ、排出管５４を介して排気する。
希釈装置８０は、図示しないフィルタを内部に有し、第４排出管８８を介して流通してきた気体及び液体が流入される。上記したように第４排出管８８には、排水管１０８、１１４、及びドレン排出管１００が接続されている。このため、希釈装置８０は、水素を希釈して車両１１の外部に排出する。
以上のように構成されるカソードガス系装置１６は、カソードオフガスが流通する排出管５４の上流側に多くの水（燃料電池スタック１２の生成水）が含まれる。このためカソードガス系装置１６の排出系の配管構造（第２排出管８４）を適切にレイアウトすることにより、重力方向の高低差を利用して水（液水）の排出を促進することで、生成水の凍結による配管閉塞等を防止することができる。
以下、図３を参照して、カソードガス系装置１６を車両１１に搭載した際のレイアウトについて詳述していく。なお以下では、図３（又は図２）の矢印表記に基づき各構成の位置及び方向を説明する。図示例の矢印Ａ方向は車両１１の前後方向であり、矢印Ａｆ方向は車両１１の前方向に相当し、矢印Ａｒ方向は車両１１の後方向に相当する。図示例の矢印Ｂ方向は車両１１の左右方向であり、矢印Ｂｌ方向は車両１１の左方向に相当し、矢印Ｂｒ方向は車両１１の右方向に相当する。図示例の矢印Ｃ方向は車両１１の上下方向（重力方向）であり、矢印Ｃｔは車両１１の上方向に相当し、矢印Ｃｂは車両１１の下方向に相当する。
図３は、補機ケース３２の第１ケース部材３８から第２ケース部材４０を外した状態におけるカソードガス系装置１６（燃料電池システム１０）の配管構造５０を示す側面図である。なお、カソードガス系装置１６は、上記したようにアノードガス系装置１４の外側隣接位置に設けられており（図２も参照）、図３中では図示は省略するが、カソードガス系装置１６の奥側にアノードガス系装置１４の補機３４や配管３６が部分的に設けられる。
車両１１の搭載において、燃料電池スタック１２は、図示しないマウント構造によりモータルームに収納される。コンプレッサユニット６０は、燃料電池スタック１２よりも重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に設置されて、燃料電池スタック１２から離間し、且つ平面視で燃料電池スタック１２の矢印Ａｆ側と重なる位置に固定されている。コンプレッサユニット６０の周囲には、エアクリーナ５８及びインタークーラ６２が配置されている。つまり、カソードガス系装置１６の供給系上流側の補機３４（エアクリーナ５８、コンプレッサユニット６０、インタークーラ６２）は、補機ケース３２の外部に設けられる。
その一方で、カソードガス系装置１６の加湿器６４は、燃料電池スタック１２の側方（補機ケース３２内の上側）に設けられる。また、加湿器６４よりも重力方向下方（矢印Ｃｂ方向：補機ケース３２内の下側）には、供給側気液分離装置６６及び排出側気液分離装置７８が設けられる。供給側気液分離装置６６は、補機ケース３２の矢印Ａｒ側に配置され、排出側気液分離装置７８は、補機ケース３２の矢印Ａｆ側に配置される。つまり、カソードガス系装置１６の加湿器６４、２つの気液分離装置６６、７８は、補機ケース３２内に収容される。
カソードガス系装置１６の供給管５２及び排出管５４は、上記のように配置された各補機３４を、図１に示す接続関係で連結する。具体的には、第１供給管６８は、エアクリーナ５８の上端部とコンプレッサユニット６０の筐体９２の矢印Ａｆ側との間を接続している。第２供給管７０は、コンプレッサユニット６０の矢印Ａｆ側の上部とインタークーラ６２の矢印Ａｒ側との間を接続している。
第３供給管７２は、インタークーラ６２の上部と加湿器６４の矢印Ａｆ側との間を接続している。第３供給管７２は、補機ケース３２の外と内を貫通するように補機ケース３２に固定されるコネクタ部材１２２を有する。このコネクタ部材１２２は、補機ケース３２の外部においてバイパス管５６が接続される分岐部１２２ａを有するＴ型又はＹ型コネクタに構成されている。
第４供給管７４は、加湿器６４の矢印Ａｒ側と、供給側気液分離装置６６の上部との間を接続している。また、供給側気液分離装置６６と燃料電池スタック１２との間を接続する第５供給管７６は、取付壁部４２の孔部４２ａに接続される。
一方、第１排出管８２は、燃料電池スタック１２の矢印Ａｆ側且つ矢印Ｃ方向の中間部と、加湿器６４の矢印Ａｆ側との間を接続している。第１排出管８２から分岐する分岐管８３は、矢印Ａｒ方向に延在した後、下方に向かいドレン排出管１００に接続されている。第２排出管８４は、加湿器６４の筒状側面の下側から重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に突出し、排出側気液分離装置７８の上端部７８ｂに接続されている。第２排出管８４と排出側気液分離装置７８の接続箇所に設けられた継手１２４の内部には、背圧弁１１２が設けられている。
排出側気液分離装置７８は、第２排出管８４が接続される上端部７８ｂから矢印Ｃｂ方向に所定長さ延在すると共に、上端部７８ｂ付近から矢印Ａ方向に突出する突出部１３４を有するＴ字状の筒体７８ａに形成されている。筒体７８ａの下部には、カソードオフガスから分離した水が貯留される。そして、排出側気液分離装置７８は、加湿器６４から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路を略直線状に延長した方向に液水を流出させる。排出側気液分離装置７８の突出部１３４には、水から分離した気体が流通する。この突出部１３４には、第３排出管８６が接続されると共にバイパス管５６が接続される。
バイパス管５６は、コネクタ部材１２２から補機ケース３２の外を矢印Ｃｂ方向に延在し補機ケース３２の下部に固定されたバルブ付コネクタ部材１２６に接続される外管１２８と、補機ケース３２内でバルブ付コネクタ部材１２６から突出部１３４に向かう内管１３０とを有する。バルブ付コネクタ部材１２６の内部にはバイパス弁１２０が設けられている。
第３排出管８６は、突出部１３４に接続されると共に補機ケース３２に固定されるコネクタ部（不図示）を有し、コネクタ部から矢印Ｃｂ方向に延びてコンプレッサユニット６０に接続される外管１３６とを備える。外管１３６は、コンプレッサユニット６０（円筒状の筐体９２）の矢印Ａｒ側の外周面に接続される。
そして、第４排出管８８は、コンプレッサユニット６０（筐体９２）の矢印Ａｒ側の端面中心部から矢印Ａｒ方向に向かって延在している。この第４排出管８８は、筐体９２から矢印Ａｒ方向且つ斜め上方に向かって所定長さ延在し、第４排出管８８に設定された曲部１３８に至る。そして、第４排出管８８は、曲部１３８において湾曲し、矢印Ａｒ方向且つ斜め下方に再び延在し、希釈装置８０（図１参照）に接続されている。希釈装置８０は、例えば、車両１１の矢印Ａｒ側に配置される。
排出側気液分離装置７８の排水管１１４は、補機ケース３２に固定され、バルブ１１６を内部に有するバルブ付コネクタ部材１４０を介して、筒体７８ａの下端部に接続されている。この排水管１１４は、補機ケース３２の外部に露出されて、モータルーム内を矢印Ａｒ方向且つ斜め下方に緩やかに延在している。また、排水管１１４は、途中位置１１４ａにおいて若干曲がり、下方に急角度となった後に第４排出管８８の接続コネクタ１４２に接続されている。第４排出管８８の接続コネクタ１４２は、第４排出管８８の曲部１３８よりも矢印Ａｒ方向（下流側）に向かって（コンプレッサユニット６０から）離れた位置に設けられている。
さらに、供給側気液分離装置６６の排水管１０８は、補機ケース３２に取り付けられるオリフィス付コネクタ部材１４４を介して、供給側気液分離装置６６の下端部に接続されている。オリフィス付コネクタ部材１４４の内部にはオリフィス１１０が設けられている。排水管１０８は、補機ケース３２の外部に露出されて下方に向かって延在し、第４排出管８８の接続コネクタ１４２に接続されている。
またドレン排出管１００は、燃料電池スタック１２の矢印Ｃｂ側の孔部４２ａから突出し、バルブ１０２を有するバルブ付コネクタ部材１４６を介して下方に延在し、接続コネクタ１４２に接続されている。例えば、接続コネクタ１４２は、メインの配管３６（第４排出管８８）に対し複数の配管３６（ドレン排出管１００、排水管１０８、１１４）を接続可能な分岐部を有するマニホールドに構成されているとよい。
カソードオフガスを排出する排出系の各補機３４の位置関係をまとめると、カソードガス系装置１６は、燃料電池スタック１２の側方で重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に向かって順に、加湿器６４、背圧弁１１２、排出側気液分離装置７８、バルブ１１６を配置している。つまり加湿器６４の下流側でカソードオフガスに含まれる水分は重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に向かって略直線状に流通する経路をたどる。そして、カソードオフガスの気体の経路は、水分の経路に対して矢印Ａ方向（矢印Ａｆ方向）にずれた位置で重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に延在している。
また、カソードガスをバイパスするバイパス管５６（及びバイパス弁１２０）は、背圧弁１１２や排出側気液分離装置７８の上部（突出部１３４）と同じ高さ位置に設けられている。さらにドレン排出管１００に設けられるバルブ１０２はバルブ１１６と同じ高さ位置に設けられている。ドレン排出管１００、排水管１０８、１１４は、重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に延在し、補機ケース３２よりも重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）の第４排出管８８の接続コネクタ１４２に接続されている。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成され、以下、その作用について説明する。
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の発電において、アノードガス系装置１４により燃料電池スタック１２にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１２からアノードオフガスを排出する。また燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の発電時に、カソードガス系装置１６によりカソードガスを燃料電池スタック１２に供給すると共に、燃料電池スタック１２からカソードオフガスを排出する。
詳細にはカソードガス系装置１６は、図１及び図４に示すように、エアクリーナ５８を介して第１供給管６８にカソードガスを流入させる。このカソードガスは、コンプレッサ９６の駆動に基づき加圧され、第２供給管７０、インタークーラ６２及び第３供給管７２を介して加湿器６４に供給される。そしてカソードガスは、加湿器６４において加湿されると、第４供給管７４、供給側気液分離装置６６、第５供給管７６を介して燃料電池スタック１２に供給される。
カソードガスは、燃料電池スタック１２の発電により使用されることで、水を多量に含むカソードオフガスとなる。このカソードオフガスは、燃料電池スタック１２から第１排出管８２に排出される。そしてカソードオフガスは、第１排出管８２から加湿器６４に流入すると、保有する水分により供給するカソードガスを加湿する一方で、残った水分を含んだまま第２排出管８４に排出される。
さらに、カソードオフガスは、第２排出管８４から排出側気液分離装置７８に流入して、排出側気液分離装置７８により気体と液体（液水）に分離される。排出側気液分離装置７８により液水が分離されたカソードオフガスは、排出側気液分離装置７８の突出部１３４に接続された第３排出管８６を介してエキスパンダ９８に流通する。排出側気液分離装置７８の下流側に流出したカソードオフガスに含まれる液水は少ない。よって、エキスパンダ９８は、液水が流入することによる動作不良が抑制され、良好な運転状態を維持し続けることができる。
また、カソードガス系装置１６は、補機ケース３２内において、カソードオフガスに含まれる水を、重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に向かって流出させる。すなわち、カソードオフガスに含まれる水は、重力方向下方に並ぶ加湿器６４、継手１２４（背圧弁１１２）、排出側気液分離装置７８の順に略直線状に流れ、排出側気液分離装置７８において気体から分離されて液水となる。排出側気液分離装置７８は、この液水を、加湿器６４から略直線状に延びる重力方向下方の経路に沿って（延長線上に）そのまま流出させる。この液水は、排出側気液分離装置７８の下部に設けられたバルブ付コネクタ部材１４０（バルブ１１６）に流通した後、補機ケース３２の外部の排水管１１４において矢印Ｃｂ方向且つ矢印Ａｒ方向に傾斜して排出される。
従って、カソードオフガスに含まれる水は、その自重により重力方向下方に円滑に流通して滞留が抑制される。また図５に示すように、排水管１１４内の液水は、車両１１の前進時における加速度を受けることで、矢印Ａｒ方向に延在する排水管１１４内で矢印Ａｒ側にスムーズに移動して、第４排出管８８に合流する。従って、排出側気液分離装置７８から液水を良好に排出することができる。
第４排出管８８は、エキスパンダ９８から矢印Ａｒ方向且つ斜め上方に一旦延在した後に、曲部１３８から矢印Ａｒ方向且つ斜め下方に延在している。排水管１１４を通して第４排出管８８に流入する液水は、曲部１３８よりも後方の接続コネクタ１４２から合流することで、エキスパンダ９８側への逆流が防止される。なお、第４排出管８８の接続コネクタ１４２には、上記したようにドレン排出管１００の水、及び排水管１０８を介した供給側気液分離装置６６の液水や水素（アノードオフガス）も流入される。この液水についてもエキスパンダ９８側に逆流することを防止することができる。そして、第４排出管８８は、接続コネクタ１４２よりも矢印Ａｒ方向の排出経路を通して、カソードオフガス（エア）、水、アノードオフガス（水素）を流通させ、さらに希釈装置８０を介してこれらを車両１１の外部に排出する。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ａについて説明する。なお、以降の説明において、燃料電池システム１０と同一の構成又は同一の機能を有する構成には、同一の符号を付与してその詳細な説明は省略する。
図６に示すように、燃料電池システム１０Ａは、供給管５２（第３供給管７２）の途中位置に供給側バルブ１５０を備える点で、上記の燃料電池システム１０と異なる。供給側バルブ１５０は、図示しないＥＣＵの制御下に開閉操作がなされることで、供給管５２から燃料電池スタック１２へのカソードガスの供給又は供給停止を行う。
また、燃料電池システム１０Ａは、水が流通する箇所（ドレン排出管１００、アノードガス系装置１４の排水管１０８）のバルブ１０２、バルブ１０６にヒータ１０２ａ、１０６ａを備える。ヒータ１０２ａ、１０６ａは、低温環境下でバルブ１０２、１０６を加熱することにより、水の凍結によるバルブ１０２、１０６の動作不良（閉塞等）を回避する。
さらに、燃料電池システム１０Ａは、図７に示すように、第３供給管７２とバイパス管５６の分岐部分を構成するユニット構造体１５２を備える。ユニット構造体１５２は、補機ケース３２の外側に設けられる外側固定マニホールド１５４と、外側固定マニホールド１５４に連結されると共に補機ケース３２の内側に収容されるバルブユニット１５６とを含む。
外側固定マニホールド１５４は、その上端部１５４ａに第３供給管７２の可撓管が接続される。外側固定マニホールド１５４は、上端部１５４ａから矢印Ａｒ方向に延在する第１管部１５４ｂと、上端部１５４ａから下方に短く延在した後矢印Ａｒ方向に延在する第２管部１５４ｃとを備える。
バルブユニット１５６は、補機ケース３２内に矢印Ａ方向に短く延在して第１管部１５４ｂが接続される第１筒部１５６ａと、同じく矢印Ａ方向に短く延在して第２管部１５４ｃが接続される第２筒部１５６ｂとを有する。第１筒部１５６ａと第２筒部１５６ｂは矢印Ｃ方向に並んで相互に連結されている。そして、第１筒部１５６ａの内部には供給側バルブ１５０が設けられ、第２筒部１５６ｂの内部にはバイパス弁１２０が設けられている。
第１筒部１５６ａは、バルブユニット１５６の矢印Ａｒ方向に設けられた加湿器６４に接続される一方で、第２筒部１５６ｂは、矢印Ａ方向後方に設けられた排出側気液分離装置１５８に接続される。すなわち、カソードガスは、インタークーラ６２の下流において第３供給管７２を流通すると、供給側バルブ１５０の開状態で、第１管部１５４ｂ、第１筒部１５６ａを流通して加湿器６４に流入する。またカソードガスは、バイパス弁１２０の開状態で、第２管部１５４ｃ、第２筒部１５６ｂを流通して排出側気液分離装置１５８に流入する。
排出側気液分離装置１５８は、補機ケース３２内において加湿器６４よりも重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に配置され、且つ矢印Ａ方向に延在している。排出側気液分離装置１５８は、上記の第２筒部１５６ｂに接続される供給系ポート１５８ａと、加湿器６４の下流側の第２排出管８４を構成する継手１２４に接続される排出系ポート１５８ｂとを有する。継手１２４内には、背圧弁１１２が設けられている。
排出側気液分離装置１５８は、矢印Ａ方向に延在する内部空間内で第２排出管８４のカソードオフガスを気体と液体に分離して水分を除去することで、カソードオフガス中の水分濃度を低下させる。そして排出側気液分離装置１５８の矢印Ａｒ側の端部には、気体（空気、水素等）を流出させる気体流出ポート１５８ｃと、分離した液体（液水）を流出させる液体流出ポート１５８ｄとが設けられている。
気体流出ポート１５８ｃは、排出側気液分離装置１５８の本体部分から上方に突出し、また第３排出管８６の一端が接続される固定コネクタ１６０が設けられている。第３排出管８６は、固定コネクタ１６０から重力方向下方に延在し、その他端がエキスパンダ９８に接続される。液体流出ポート１５８ｄは、排出側気液分離装置１５８の矢印Ａｒ側の下部に設けられ、バルブ１１６を内部に有するバルブ付コネクタ部材１４０を介して排水用コネクタ１６２に接続されている。すなわち、排出側気液分離装置１５８は、加湿器６４から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路に対し水平方向にずらした位置の重力方向下方に液水を流出させる
排水用コネクタ１６２は、バルブ付コネクタ部材１４０から重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に向かって突出し、また補機ケース３２の外部において排水管１１４が接続されている。排水用コネクタ１６２には、供給側気液分離装置６６につながる排水管１０８と、分岐管８３がつながるドレン排出管１００とが接続されている。
排水管１１４は、排水用コネクタ１６２の下端に連結される硬質配管１６４（樹脂配管、金属配管）により構成されている。硬質配管１６４（排水管１１４）は、排水用コネクタ１６２の接続箇所から矢印Ａｒ方向且つ下方に緩やかに傾斜して延在している。硬質配管１６４が斜め下方に延在している途中位置には、矢印Ｂｌ方向（図２参照：車幅方向）に第４排出管８８が接続される接続コネクタ１６４ａが設けられている。第４排出管８８は、エキスパンダ９８から矢印Ａｒ方向且つ上方（矢印Ｃｔ方向）に傾斜して延在し、また接続コネクタ１６４ａよりも若干上方に位置する曲部１３８を経由して、矢印Ａｒ方向且つ下方に延在して接続コネクタ１６４ａに接続されている。
従って、第２実施形態に係るカソードガス系装置１６の排出系も、燃料電池スタック１２の側方で重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に向かって順に、加湿器６４、背圧弁１１２、排出側気液分離装置１５８、バルブ１１６を配置している。また、カソードオフガスの気体の経路は、排出側気液分離装置１５８の液水の貯留部よりも上方（矢印Ｃｔ方向）から重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に向かって延在している。
さらにカソードガスをバイパスするバイパス管５６（及びバイパス弁１２０）は、排出側気液分離装置１５８の矢印Ａｆ側に接続されている。ドレン排出管１００及び排水管１０８は、補機ケース３２内の下側で排水用コネクタ１６２に接続されている。排水用コネクタ１６２の下端に接続される硬質配管１６４は、重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）且つ矢印Ａｒ方向に延在している。
第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、基本的には以上のように構成され、以下その作用効果について説明する。
燃料電池システム１０Ａのカソードガス系装置１６では、コンプレッサ９６の駆動に基づきカソードガスを加圧することで、カソードガスが第３供給管７２を矢印Ｃｔ方向に流通してユニット構造体１５２内に流入する。ユニット構造体１５２では、供給側バルブ１５０が開放している場合に、第１管部１５４ｂ、第１筒部１５６ａを介してカソードガスを加湿器６４に供給する。カソードガスは、加湿器６４にて加湿されると、加湿器６４から供給側気液分離装置６６等を介して燃料電池スタック１２に供給される。
燃料電池スタック１２の発電により使用されたカソードオフガスは、第１排出管８２を介して加湿器６４に流入する。加湿器６４においてカソードオフガスは、保有する水分により供給するカソードガスを加湿する一方で、残った水分を含んだまま排出され、さらに排出系ポート１５８ｂを介して排出側気液分離装置１５８に流入する。
また、ユニット構造体１５２においてバイパス弁１２０が開放している場合には、第２管部１５４ｃ、第２筒部１５６ｂ、供給系ポート１５８ａを介して排出側気液分離装置１５８にカソードガスが供給される。排出側気液分離装置１５８では、カソードガス又はカソードオフガスが矢印Ａｒ方向に移動し、この移動時に気体と液水を分離する。そして、気体は、排出側気液分離装置１５８の上部の気体流出ポート１５８ｃ、固定コネクタ１６０を介して流出し、第３排出管８６に沿って矢印Ｃｂ方向のエキスパンダ９８に向かう。この気体に含まれる液水は少ないので、エキスパンダ９８は、液水が流入することによる動作不良が抑制され、良好な運転状態を維持し続けることができる。
また、燃料電池システム１０Ａのカソードガス系装置１６も、補機ケース３２内において、カソードオフガスに含まれる水を、重力方向下方（矢印Ｃｂ方向）に向かって流出させる。すなわち、カソードオフガスに含まれる水は、重力方向下方に並ぶ加湿器６４、継手１２４（背圧弁１１２）、排出側気液分離装置１５８の順に略直線状に流れ、排出側気液分離装置１５８において気体から分離されて液水となる。排出側気液分離装置１５８の液水は、加湿器６４から流入するカソードオフガスの経路に対し水平方向にずらした位置で重力方向下方に流出される。この液水は、重力方向下方に向かって下方側のバルブ付コネクタ部材１４０（バルブ１１６）、排水用コネクタ１６２を流通し、補機ケース３２の排水管１１４（硬質配管１６４）において矢印Ｃｂ方向且つ矢印Ａｒ方向に傾斜して排出される。
硬質配管１６４は、傾斜角度が固定されている（可撓性を有していない）ことで液水をスムーズに流出させる。そして液水は、硬質配管１６４を流通する途中の接続コネクタ１６４ａにおいて、エキスパンダ９８から排出される気体と合流する。液水は、その自重により硬質配管１６４内を斜め下方に傾斜して流通していることで、接続コネクタ１６４ａから第４排出管８８を介したエキスパンダ９８側への逆流が抑制される。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
本発明の一態様は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２にカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタック１２からカソードオフガスを排出するカソードガス系装置１６とを備える燃料電池システム１０、１０Ａであって、カソードガス系装置１６は、カソードオフガスに含まれる水によりカソードガスを加湿する加湿器６４と、加湿器６４のカソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置（排出側気液分離装置７８、１５８）と、気液分離装置のカソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、気体を膨張させるエキスパンダ９８とを備え、重力方向下方に向かって順に、加湿器６４、気液分離装置及びエキスパンダ９８を配置した。
上記の燃料電池システム１０、１０Ａは、加湿器６４、気液分離装置（排出側気液分離装置７８、１５８）及びエキスパンダ９８を重力方向下方に向かって順に配置したことで、燃料電池スタック１２で生成される水（生成水）を、当該水の自重により円滑に排出することができる。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、水の凍結による補機３４の不具合、水の滞留による錆等を良好に抑制することができる。
また、カソードオフガスの流通方向の加湿器６４と気液分離装置（排出側気液分離装置７８、１５８）の間に、カソードガスの圧力を調整する背圧弁１１２を備え、重力方向下方に向かって順に、加湿器６４、背圧弁１１２及び気液分離装置を配置した。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、燃料電池スタック１２で生成される水を加湿器６４、背圧弁１１２及び気液分離装置の順に一層円滑に流通させ、背圧弁１１２付近での水の滞留を抑制することが可能となる。
また、気液分離装置（排出側気液分離装置７８、１５８）の重力方向上方に前記エキスパンダ９８に繋がる配管（第３排出管８６）が接続される。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、気液分離装置において分離した液水を含まない気体を、気液分離装置からエキスパンダ９８に安定的に流出させることができる。
また、気液分離装置（排出側気液分離装置７８、１５８）の重力方向下方には、開弁により当該気液分離装置内の液水を排出し、閉弁により当該気液分離装置内の液水の排出を遮断するバルブ１１６が設けられる。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、気液分離装置から重力方向下方のバルブ１１６に液水をスムーズに移動させ、バルブ１１６の開弁により液水を確実に排出することが可能となる。
また、バルブ１１６の下端部には、重力方向下方に向かって傾斜して延在する排水管１１４が接続されている。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、排水管１１４を介してバルブ１１６から流出する液水をスムーズに流出させることができる。
また、燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１８の積層方向一端に補機ケース３２を備え、加湿器６４及び気液分離装置（排出側気液分離装置７８、１５８）は補機ケース３２の内部に設けられる一方で、エキスパンダ９８は補機ケース３２の外部に設けられる。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、加湿器６４及び気液分離装置を補機ケース３２により保護する共に、カソードオフガスを補機ケース３２内で重力方向下方に安定的に流通させることが可能となる。
また、気液分離装置（排出側気液分離装置７８）は、加湿器６４から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路を直線状に延長した方向に液水を流出させる。これにより、燃料電池システム１０は、気液分離装置で分離した液水の滞留を抑制して、気液分離装置の重力方向下方に液水を容易に排出することができる。
また、気液分離装置（排出側気液分離装置１５８）は、加湿器６４から流入するカソードオフガスの重力方向下方の経路に対し水平方向にずらした位置の重力方向下方に液水を流出させる。これにより、燃料電池システム１０Ａは、気液分離装置内に一旦流入したカソードオフガスから液水を充分に分離させることが可能となる。従って、燃料電池システム１０Ａは、水分を殆ど含まないカソードオフガスをエキスパンダ９８に導くことができ、エキスパンダ９８を安定的に動作させることができる。
１０、１０Ａ…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１６…カソードガス系装置 １８…発電セル
３２…補機ケース ３４…補機
３６…配管 ６４…加湿器
７８、１５８…排出側気液分離装置 ８２…第１排出管
８４…第２排出管 ８６…第３排出管
８８…第４排出管 ９８…エキスパンダ
１１２…背圧弁 １１４…排水管
１１６…バルブ

Claims (7)

  1. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、
    前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、
    重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、
    前記燃料電池スタックは、複数の発電セルの積層方向一端に補機ケースを備え、
    前記加湿器及び前記気液分離装置は前記補機ケースの内部に設けられる一方で、前記エキスパンダは前記補機ケースの外部に設けられる
    燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
    前記カソードオフガスの流通方向の前記加湿器と前記気液分離装置の間に、前記カソードガスの圧力を調整する背圧弁を備え、
    重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記背圧弁及び前記気液分離装置を配置した
    燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
    前記気液分離装置の重力方向上方に前記エキスパンダに繋がる配管が接続される
    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において、
    前記気液分離装置の重力方向下方には、開弁により当該気液分離装置内の前記液水を排出し、閉弁により当該気液分離装置内の前記液水の排出を遮断するバルブが設けられる
    燃料電池システム。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
    前記バルブの下端部には、重力方向下方に向かって傾斜して延在する排水管が接続されている
    燃料電池システム。
  6. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにカソードガスを供給すると共に当該燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソードガス系装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記カソードガス系装置は、前記カソードオフガスに含まれる水により前記カソードガスを加湿する加湿器と、
    前記加湿器の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記カソードオフガスの気体と液水を分離する気液分離装置と、
    前記気液分離装置の前記カソードオフガスの流通方向下流側に設けられ、前記気体を膨張させるエキスパンダとを備え、
    重力方向下方に向かって順に、前記加湿器、前記気液分離装置及び前記エキスパンダを配置し、
    前記気液分離装置は、前記加湿器から流入する前記カソードオフガスの重力方向下方の経路を直線状に延長した方向に前記液水を流出させる
    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において、
    前記気液分離装置は、前記加湿器から流入する前記カソードオフガスの重力方向下方の経路に対し水平方向にずらした位置の重力方向下方に前記液水を流出させる
    燃料電池システム。

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