KR101848980B1

KR101848980B1 - 기액 분리기 및 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR101848980B1
Application number: KR1020150155008A
Authority: KR
Inventors: 유타카 홋타; 미치타로 이토가; 다테키 다카야마
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2018-04-13
Also published as: JP6237582B2; US10044052B2; CA2909869C; JP2016096012A; CN105609825A; KR20160058007A; DE102015117741A1; US20160141693A1; DE102015117741B9; CN105609825B; CA2909869A1; DE102015117741B4

Abstract

기액 분리기에 있어서의 오프 가스의 배출구로 분리된 물의 침입을 억제한다.
기액 분리기는, 연료 전지의 엔드 플레이트에 형성되어 단부면에 개구되어 기액 분리기의 일부를 구성하는 기액 분리기 형성부와, 기액 분리기 형성부의 개구를 덮어 기액 분리기 형성부와 함께 기액 분리기를 구성하는 커버 부재를 구비하고, 기액 분리기 형성부는, 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 물이 저류되는 저류부의 일부를 형성하고, 오프 가스의 배출구가 형성되어 개구에 접속하여 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부와, 기액 분리기 형성부로부터 커버 부재를 향하는 제1 방향을 따라서 제1 내벽부로부터 돌출되어 배출구를 둘러싸는 포위부를 갖는다.

Description

기액 분리기 및 연료 전지 시스템{GAS LIQUID SEPARATOR AND FUEL CELL SYSTEM}

본원은, 2014년 11월 14일에 출원된 출원번호 제2014-231294호의 일본 특허출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 전부가 참조에 의해 본원에 포함된다.

본 발명은, 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리하여 배출하는 기액 분리기에 관한 것이다.

고체 고분자형 연료 전지 등의 연료 전지에 사용되는 전해질막은, 고습윤 상태에 있어서 높은 발전 성능을 발휘할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지에 공급하는 반응 가스가 가습되는 경우가 있다. 또한, 반응 가스의 이용률의 향상과 연료 전지 내에서의 물의 체류 억제를 목적으로 하여, 연료 전지로부터 배출되는 오프 가스로부터 물을 분리하고, 얻어진 반응 가스를 다시 연료 전지에 공급하는 순환형 반응 가스 공급 기구가 사용되는 경우가 있다. 이와 같은 반응 가스 공급 기구에서는, 오프 가스로부터 물을 분리하기 위해 기액 분리기가 사용된다. 예를 들어, 통 형상의 기액 분리부와 기액 분리부의 연직 하방에 위치하는 저류부를 구비하고, 유입된 애노드 오프 가스로부터 물을 분리하여 저류부에 일시적으로 저류됨과 함께, 물을 분리 후의 오프 가스를 배출하는 기액 분리기가 사용된다(JP2011-16039A 참조). 이 기액 분리기에서는, 기액 분리부를 두께 방향으로 관통하는 오프 가스의 입구관과 출구관이 사용된다.

그러나, 전술한 기액 분리기를 구비하는 연료 전지 시스템이 차량 등의 이동체에 탑재되고, 이러한 이동체가 비탈길을 주행할 경우 등에 있어서 기액 분리기의 자세가 기울면, 저류부에 저류된 물이 오프 가스의 출구관, 환언하면 기액 분리기에 있어서의 오프 가스의 배출구에 침입할 우려가 있었다. 이와 같이, 기액 분리기에 있어서의 오프 가스의 배출구에 물이 침입하면, 오프 가스에 물이 다시 포함되어, 이러한 오프 가스가 순환되기 때문에, 오프 가스로부터의 물의 분리 효율이 저하된다는 문제가 있었다. 이로 인해, 기액 분리기에 있어서의 오프 가스의 배출구에, 분리된 물이 침입되는 것을 억제 가능한 기술이 요망되고 있었다.

본 발명은, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.

(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 적층된 복수의 단위 셀을 갖는 셀 스택과, 상기 셀 스택에 대하여 상기 복수의 단위 셀의 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트를 갖고 이동체에 탑재되어 있는 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리하여 배출하는 기액 분리기가 제공된다. 이 기액 분리기는, 상기 엔드 플레이트에 형성되고, 상기 엔드 플레이트에 있어서의 상기 적층 방향의 단부면 중 상기 셀 스택과는 반대측의 단부면에 개구되고, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 기액 분리기 형성부와, 상기 기액 분리기 형성부의 개구를 덮어 배치되고, 상기 기액 분리기 형성부와 함께 상기 기액 분리기를 구성하는 커버 부재를 구비하고, 상기 기액 분리기 형성부는, 상기 오프 가스의 배출구가 형성되어 있으며, 상기 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 상기 오프 가스로부터 분리된 물이 저류되는 저류부의 일부를 형성하는 제1 내벽부이며, 상기 개구에 접속하여 상기 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부와, 상기 기액 분리기 형성 부재로부터 상기 커버부를 향하는 제1 방향을 따라서 상기 제1 내벽부로부터 돌출되어 상기 오프 가스의 배출구를 둘러싸는 포위부를 가져도 된다. 이 형태를 채용하면, 기액 분리기는, 기액 분리기 형성부로부터 커버 부재를 향하는 제1 방향을 따라서 제1 내벽부로부터 돌출되어 오프 가스의 배출구를 둘러싸는 포위부를 가지므로, 기액 분리기에 있어서의 오프 가스의 배출구에, 분리된 물이 침입되는 것을 억제할 수 있다.

(2) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 포위부의 상기 제1 방향의 단부면은, 상기 엔드 플레이트의 상기 제1 방향의 단부면으로부터 상기 제1 방향과는 반대 방향으로 오프셋되어 있어도 된다. 이 형태를 채용하면, 기액 분리기에 있어서, 포위부에 있어서의 제1 방향의 단부는, 엔드 플레이트의 제1 방향의 단부면으로부터 제1 방향과는 반대 방향으로 오프셋되어 있으므로, 커버 부재의 저면으로부터 포위부의 제1 방향의 단부까지의 거리를 비교적 길게 할 수 있다. 이로 인해, 이동체의 기울기에 따라서, 커버 부재의 저면에 저류된 물이 배출구에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기액 분리기에 있어서의 물의 분리 효율 저하를 억제할 수 있다.

(3) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 포위부의 외표면 중, 상기 이동체가 수평 자세인 상태에 있어서 상기 포위부의 연직 하방측의 경사면은, 상기 경사면에 대향하는 상기 저류부의 저면과 대략 평행하여도 된다. 이 형태를 채용하면, 기액 분리기에 있어서, 예를 들어 이동체의 주행 상태에 기인해서 기액 분리기의 자세가 기운 경우에, 저류부에 저류된 물의 액면과, 포위부의 연직 하방측의 경사면을 서로 대략 평행하게 할 수 있다. 이로 인해, 저류된 물의 액면과 포위부 사이의 거리를 비교적 크게 할 수 있어, 저류된 물이 오프 가스의 배출구에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기액 분리기에 있어서의 물의 분리 효율 저하를 억제할 수 있다.

(4) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 제1 내벽부에는, 상기 기액 분리기로의 상기 오프 가스의 유입구가 형성되어 있으며, 상기 커버 부재는, 상기 커버 부재에 있어서의 상기 기액 분리기 형성부와 대향하는 면에 형성된 개구에 접속하여 상기 커버 부재의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부이며, 상기 적층 방향으로 상기 제1 내벽부와 대향하여 배치되고, 상기 제1 내벽부와 함께 상기 저류부를 형성하는 제2 내벽부와, 상기 저류부에 저류된 물을 배출하는 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부를 가져도 된다. 이 형태를 채용하면, 기액 분리기에 있어서, 유입구 형성부와 배출구 형성부를 모두 기액 분리기 형성부가 갖고, 또한 커버 부재의 제2 내벽부는 커버 부재의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있으므로, 저류부의 내부에 있어서의 오프 가스의 흐름을 대략 U자 형상의 흐름으로 할 수 있다. 이로 인해, 유로의 연장 길이를 크게 할 수 있어, 오프 가스로부터 물을 분리하는 기회를 보다 많게 할 수 있다.

본 발명은, 다양한 형태로 실현하는 것도 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템이나, 연료 전지용 엔드 플레이트나, 기액 분리기용 커버 부재나, 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리하여 배출하는 방법 등의 형태로 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 기액 분리기를 적용한 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는, 기액 분리기의 외관 구성을 나타내는 정면도이다.
도 3은, 도 2에서의 A-A 단면을 나타내는 단면도이다.
도 4는, 기액 분리기 형성부의 구성을 나타내는 정면도이다.
도 5는, 기액 분리기 형성부의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은, 도 4에 도시한 기액 분리기 형성부의 C-C 단면을 나타내는 단면도이다.
도 7a는, 연료 전지 자동차가 수평 자세인 경우에서의 저류부 내에 저류된 물과, 포위부의 위치 관계를 나타내는 설명도이다.
도 7b는, 연료 전지 자동차가 수평 자세가 아닌 경우에서의 저류부 내에 저류된 물과, 포위부의 위치 관계를 나타내는 설명도이다.
도 8은, 커버 부재(11)의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 9는, 커버 부재(11)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 10a는, 연료 전지 자동차가 수평 자세인 경우에서의 저류부 내에 저류된 물의 배치를 나타내는 설명도이다.
도 10b는, 연료 전지 자동차가 수평 자세가 아닌 경우에서의 저류부 내에 저류된 물의 배치를 나타내는 설명도이다.
도 11a는, 도 3에서의 B-B 단면을 나타내는 단면도이다.
도 11b는, 도 11a에서의 영역 Ar1을 확대해서 나타내는 확대 단면도이다.
도 11c는, 도 11b에서의 영역 Ar2를 확대해서 나타내는 확대 단면도이다.
도 12a는, 변형예에서의 기액 분리기와 밸브 장치의 접속 부분의 변형예에서의 제1 형태를 나타내는 설명도이다.
도 12b는, 변형예에서의 기액 분리기와 밸브 장치의 접속 부분의 변형예에서의 제2 형태를 나타내는 설명도이다.

A. 실시 형태:

A1. 시스템 구성:

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 기액 분리기를 적용한 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시 형태에 있어서, 연료 전지 시스템(5)은, 구동용 전력을 공급하기 위한 시스템으로서, 연료 전지 자동차에 탑재되어 사용된다. 또한, 연료 전지 자동차 대신에, 전기 자동차 등의 구동용 전원을 필요로 하는 다른 임의의 이동체에 탑재되어 사용되어도 된다. 연료 전지 시스템(5)은, 연료 전지(7)와, 기액 분리기(10)와, 수소 탱크(20)와, 공기 압축기(30)와, 순환 펌프(40)와, 차단 밸브(51)와, 인젝터(52)와, 배기 배수 밸브(53)와, 삼방 밸브(54)와, 압력 조정 밸브(55)와, 연료 가스 공급로(61)와, 연료 가스 순환로(62)와, 연료 가스 배출로(63)와, 산화제 가스 공급로(71)와, 산화제 가스 배출로(72)와, 바이패스 유로(73)를 구비한다. 또한, 도 1에서는, 연료 전지(7)를 통해 냉각 매체를 순환시키기 위한 구성은, 설명의 편의상 생략되어 있다.

연료 전지(7)는, 셀 스택(90)과, 한 쌍의 터미널 플레이트(82, 83)와, 제1 엔드 플레이트(80)와, 제2 엔드 플레이트(81)를 구비한다. 셀 스택(90)은, 복수의 단위 셀이 적층 방향 SD로 적층된 구조를 갖는다. 한 쌍의 터미널 플레이트(82, 83)는, 셀 스택(90)의 적층 방향 SD의 양 단부면에 접한다. 제1 엔드 플레이트(80)는, 터미널 플레이트(82)에 대하여 적층 방향 SD의 외측에 배치되어 있다. 제2 엔드 플레이트(81)는, 터미널 플레이트(83)에 대하여 적층 방향 SD의 외측에 배치되어 있다. 셀 스택(90)을 구성하는 각 단위 셀은, 애노드측 촉매 전극층에 공급되는 연료 가스인 수소와, 캐소드측 촉매 전극층에 공급되는 산화제 가스인 공기에 포함되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생한다. 양극의 촉매 전극층은, 상호 고체 고분자 전해질막을 사이에 두고 설치되어 있다. 각 전극측의 촉매 전극층은, 촉매, 예를 들어 백금(Pt)을 담지한 카본 입자나 전해질을 포함하여 구성된다. 각 전극측의 촉매 전극층의 외측에는, 다공질체에 의해 형성된 가스 확산층이 배치되어 있다. 다공질체로서는, 예를 들어 카본 페이퍼나 카본 클로스 등의 카본 다공질체나, 금속 메쉬나 발포 금속 등의 금속 다공질체가 사용된다. 연료 전지(7)의 내부에는, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각 매체를 유통시키기 위한 매니폴드가 적층 방향 SD를 따라 형성되어 있다. 2개의 터미널 플레이트(82, 83)는, 연료 전지(7)에 있어서의 종합 전극으로서 기능하는 판 형상의 부재이다. 제1 엔드 플레이트(80)는, 두께 방향이 적층 방향 SD와 일치하는 대략 판 형상의 외관 형상을 갖는다. 제1 엔드 플레이트(80)는, 제2 엔드 플레이트(81)와 함께 셀 스택(90) 및 한 쌍의 터미널 플레이트(82, 83)를 끼움 지지하는 기능과, 셀 스택(90) 내의 매니폴드에, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각 매체를 공급하고, 또한 이들 매체를 배출하기 위한 유로를 제공하는 기능과, 기액 분리기(10)의 일부를 구성하는 기능을 갖는다. 제2 엔드 플레이트(81)는, 제1 엔드 플레이트(80)와 마찬가지로, 두께 방향이 적층 방향 SD와 일치하는 대략 판 형상의 외관 형상을 갖는다. 제2 엔드 플레이트(81)는, 제1 엔드 플레이트(80)와 함께 셀 스택(90) 및 한 쌍의 터미널 플레이트(82, 83)를 끼움 지지하는 기능을 갖는다. 단, 제2 엔드 플레이트(81)는, 제1 엔드 플레이트(80)와는 상이하며, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각 매체의 공급 및 배출을 위한 유로를 제공하는 기능 및 기액 분리기(10)의 일부를 구성하는 기능은 갖지 않는다.

기액 분리기(10)는, 셀 스택(90) 내의 연료 가스 배출용 매니폴드와 접속되고, 이러한 매니폴드로부터 배출되는 오프 가스에 포함되는 물을 분리하여 배출함과 함께, 물이 분리된 후의 가스인 연료 가스를 연료 가스 순환로(62)로 배출한다. 기액 분리기(10)는, 기액 분리기 형성부(12)와 커버 부재(11)에 의해 구성되어 있다. 기액 분리기 형성부(12)는, 제1 엔드 플레이트(80)의 내부에 형성되어 있다. 기액 분리기 형성부(12)는, 제1 엔드 플레이트(80)에 있어서의 적층 방향 SD의 외측의 단부면(이하, 「커버 대향면」이라고 함)에서 개구되고, 제1 엔드 플레이트(80)의 두께 방향, 보다 구체적으로는, 적층 방향 SD를 따라 제1 엔드 플레이트(80)로부터 터미널 플레이트(82)를 향하는 방향으로 오목 형상의 외관 형상을 갖는다. 커버 부재(11)는, 제1 엔드 플레이트(80)의 커버 대향면에 접하고, 기액 분리기 형성부(12)의 개구를 덮도록 배치되어 있다. 커버 부재(11)는, 기액 분리기 형성부(12)에 대향하는 면에서 개구되고, 두께 방향, 보다 구체적으로는, 적층 방향 SD를 따라 기액 분리기 형성부(12)로부터 커버 부재(11)를 향하는 방향으로 볼록 형상의 외관 형상을 갖는다. 또한, 기액 분리기(10)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.

수소 탱크(20)는, 고압 수소를 저장하고 있으며, 연료 전지(7)에 대하여 연료 가스로서의 수소 가스를 공급한다. 공기 압축기(30)는, 연료 전지(7)에 대하여 산화제 가스로서의 공기를 공급한다. 순환 펌프(40)는, 연료 가스 순환로(62)에 배치되어 있다. 순환 펌프(40)는, 기액 분리기(10)로부터 배출된 연료 가스, 즉 물이 분리된 후의 연료 가스를 연료 가스 공급로(61)로 보낸다. 차단 밸브(51)는, 수소 탱크(20)에 있어서의 연료 가스의 배출구 근방에 배치되어 있다. 차단 밸브(51)는, 수소 탱크(20)로부터의 수소 가스의 공급 실행과 정지를 전환한다. 인젝터(52)는, 연료 가스 공급로(61)에 배치되어 있다. 인젝터(52)는, 연료 전지(7)로의 수소 가스의 공급량 및 압력을 조정한다. 배기 배수 밸브(53)는, 연료 가스 배출로(63)에 배치되어 있다. 배기 배수 밸브(53)는, 기액 분리기(10)로부터의 물 및 오프 가스의 배출 실행과 정지를 전환한다. 배기 배수 밸브(53)의 개폐는 도시하지 않은 제어부에 의해 제어된다. 예를 들어, 배기 배수 밸브(53)는, 연료 전지 자동차의 차속 및 액셀러레이터 페달의 답입량 등의 운전 조건에 따라서, 미리 정해진 간격으로 정기적으로 개폐된다. 삼방 밸브(54)는, 산화제 가스 공급로(71)에 배치되어 있다. 삼방 밸브(54)는, 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공기의 전체량 중, 산화제 가스 공급로(71)에 공급하는 양과, 바이패스 유로(73)에 공급하는 양을 조정한다. 압력 조정 밸브(55)는, 산화제 가스 배출로(72)에 배치되어 있다. 압력 조정 밸브(55)는, 연료 전지(7)에 있어서의 캐소드 배출측의 압력인 소위 배압을 조정한다.

연료 전지 시스템(5)에 있어서의 연료 가스의 유통 형태에 대하여 설명한다. 수소 탱크(20)로부터 공급되는 수소 가스는 연료 가스 공급로(61)를 통해 연료 전지(7)에 공급된다. 연료 전지(7)로부터 배출되는 오프 가스인 애노드측 오프 가스는, 기액 분리기(10)에 공급되고, 오프 가스에 포함되는 물의 적어도 일부가 분리된다. 물이 분리된 후의 오프 가스, 즉 연료 가스는, 연료 가스 순환로(62) 및 순환 펌프(40)를 통해 연료 가스 공급로(61)로 되돌려지고, 다시 연료 전지(7)에 공급된다. 기액 분리기(10)로부터는, 오프 가스로부터 분리된 물에 추가하여, 기액 분리기(10)에 공급되는 오프 가스 중 일부의 오프 가스가 배기 배수 밸브(53)를 통해 연료 가스 배출로(63)로 배출된다. 연료 가스 배출로(63)는 산화제 가스 배출로(72)와 접속되어 있으며, 연료 가스 배출로(63)로 배출된 물 및 애노드측 오프 가스는, 연료 전지(7)로부터 배출되는 물 및 캐소드측 오프 가스와 함께 산화제 가스 배출로(72)를 통해 대기로 배출된다. 연료 가스 배출로(63)의 내부 압력은, 대기 개방되어 있는 산화제 가스 배출로(72)와 연통하고 있기 때문에 대기압이다. 이에 반하여, 기액 분리기(10)의 내부에는, 대기압보다도 높은 배압이 가해져 있다. 이로 인해, 배기 배수 밸브(53)를 사이에 두고 기압 차가 존재한다. 따라서, 배기 배수 밸브(53)가 개방된 경우에, 전술한 압력차에 의해, 기액 분리기(10)로부터 연료 가스 배출로(63)로 오프 가스가 배출된다.

연료 전지 시스템(5)에 있어서의 산화제 가스의 유통 형태에 대하여 설명한다. 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공기, 즉 압축 공기는, 산화제 가스 공급로(71)를 통해 연료 전지(7)에 공급된다. 이때, 삼방 밸브(54)의 개방도를 조정함으로써 연료 전지(7)로의 공급량을 조정할 수 있다. 연료 전지(7)로부터 배출되는 오프 가스인 캐소드측 오프 가스와 물은, 압력 조정 밸브(55)를 통해 산화제 가스 배출로(72)로 배출된다. 산화제 가스 배출로(72)는, 전술한 바와 같이 연료 가스 배출로(63)와 접속되어 있으며, 또한 바이패스 유로(73)와도 접속되어 있다. 따라서, 연료 전지(7)로부터 배출된 캐소드측 오프 가스는, 연료 가스 배출로(63)를 통과하여 배출되는 애노드측 오프 가스 및 물과, 바이패스 유로(73)를 통과하여 배출되는 공기와 함께, 대기로 배출된다.

전술한 배기 배수 밸브(53)와 마찬가지로, 공기 압축기(30), 순환 펌프(40) 및 그 밖의 각 밸브의 동작은, 도시하지 않은 제어부에 의해 제어된다. 이 제어부는, 예를 들어 제어용 프로그램이 기억되어 있는 Read Only Member(ROM)와, 이러한 ROM을 판독하여 실행하는 Central Processing Unit(CPU)과, CPU의 워크 에리어로서 이용되는 Random Access Memory(RAM)를 갖는다.

A2. 기액 분리기의 구성:

도 2는, 기액 분리기(10)의 외관 구성을 나타내는 정면도이다. 도 3은, 도 2에서의 A-A 단면을 나타내는 단면도이다. 도 2에서는, 기액 분리기(10)를 제1 엔드 플레이트(80)로부터 터미널 플레이트(82) 및 셀 스택(90)을 향하는 방향에서 본 경우의 정면도를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 기액 분리기(10)의 일부는 제1 엔드 플레이트(80)에 형성되어 있으므로, 도 2, 도 3에서는, 제1 엔드 플레이트(80)의 일부도 그려져 있다. 도 2에서는, 기액 분리기(10)에 접속되어 있는 밸브 장치(500)도 표시되어 있다. 도 3은, 도 2에 도시한 A-A 단면을 나타내고 있다. 이후의 도면에서는, 특별히 언급하지 않는 한, 연료 전지 시스템(5)이 탑재된 연료 전지 자동차가 수평면에 배치되어 있는 상태, 즉, 연료 전지 자동차가 수평 자세인 상태에 있어서의 연료 전지 시스템(5) 및 기액 분리기(10)의 각 구성 요소를 나타낸다. 이후의 도면에서는, X축 및 Y축은 수평면과 평행하며, Z축은 연직 방향과 평행하다. +Z 방향은 연직 상방을 나타내고, -Z 방향은 연직 하방을 나타낸다. +X 방향은 연료 전지 자동차의 프론트 방향을 나타내고, -X 방향은 연료 전지 자동차의 리어 방향을 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 적층 방향 SD는, Y축과 평행하다.

도 2에 도시한 바와 같이, 커버 부재(11)는, 제1 엔드 플레이트(80)의 커버 대향면 S80에 볼트에 의해 설치되어 있다. 커버 부재(11)의 +X 방향의 단부에는, 밸브 장치(500)가 접속되어 있다. 밸브 장치(500)는, 배기 배수 밸브(53) 및 배기 배수 밸브(53)를 개폐 구동하기 위한 도시하지 않은 구동부를 갖고 있다. 또한, 커버 부재(11)와 밸브 장치(500)의 접속 부분의 상세에 대해서는 후술한다. 커버 부재(11)의 정면에서 볼 때의 형상은, X축 방향이 길이 방향으로 되는 대략 직사각형이며, Y축 방향과 평행한 방향이 두께 방향에 상당한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(80)의 내부에 기액 분리기 형성부(12)가 형성되어 있다. 기액 분리기 형성부(12)는, 제1 내벽부(202)를 갖는다. 기액 분리기 형성부(12)에는, 제1 엔드 플레이트(80)의 두께 방향, 즉 Y축 방향으로 연장되는 가스 공급로(210)가 형성되어 있다. 제1 내벽부(202)는, 커버 대향면 S80에 형성된 개구와 접속하고, 제1 엔드 플레이트(80)의 두께 방향, 즉 Y축 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있다. 제1 내벽부(202)는, 후술하는 커버 부재(11)의 제2 내벽부(160)와 함께 저류부(13)를 형성한다. 저류부(13)는, Z축 방향으로 찌그러진 대략 구 형상의 외관 형상을 갖는다. 저류부(13)는, 애노드측 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 애노드측 오프 가스로부터 분리된 물을 일시적으로 저류하는 기능을 갖는다. 가스 공급로(210)의 -Y 방향의 단부는, 제1 엔드 플레이트(80)에 있어서의 터미널 플레이트(82)측의 단부면에 도달하고 있다. 가스 공급로(210)의 +Y 방향의 단부는, 저류부(13)의 내부 공간과 연통하고 있다. 가스 공급로(210)는, 셀 스택(90)으로부터 배출되는 애노드측 오프 가스를, 터미널 플레이트(82)를 통해 저류부(13)로 유도한다.

커버 부재(11)에 있어서, 제1 엔드 플레이트(80)의 커버 대향면 S80과 대향하는 면(이하, 「형성부 대향면」이라고 함) S11에는, 개구가 형성되어 있다. 커버 부재(11)는, 제2 내벽부(160)를 구비한다. 제2 내벽부(160)는, 형성부 대향면 S11에 형성된 개구와 접속하여 커버 부재(11)의 두께 방향(Y축 방향)으로 오목 형상으로 형성되어 있다. 커버 부재(11)의 형성부 대향면 S11에 형성되어 있는 개구의 형상 및 크기는, 기액 분리기 형성부(12)의 커버 대향면 S80에 형성된 개구의 형상 및 크기와 동일하다. 그리고, 이들 2개의 개구끼리가 대향하도록, 커버 부재(11)가 배치됨으로써, 제1 내벽부(202)와 제2 내벽부(160)는 접속되고, 전술한 저류부(13)가 형성된다. 커버 부재(11)는, 저류부(13) 내에 돌출부(110)를 구비한다. 돌출부(110)는, 제2 내벽부(160)의 저면으로부터 상방으로 돌출되어 있다. 돌출부(110)의 -Y 방향의 단부면은, 커버 부재(11)에 있어서의 형성부 대향면 S11보다도 +Y 방향으로 오프셋되어 있다. 이로 인해, 돌출부(110)의 -Y 방향의 단부면에 대하여 -Y 방향으로 인접한 부분에는 간극(190)이 형성되어 있다. 돌출부(110) 및 간극(190)의 상세에 대해서는 후술한다. 커버 부재(11)는, 제2 내벽부(160)의 저면, 환언하면 저류부(13)의 저면 일부에 경사면 S101을 갖는다. 이러한 경사면 S101은, 커버 부재(11)로부터 기액 분리기 형성부(12)를 향하는 방향, 즉 -Y 방향을 따라서 점차 하방으로 경사져 있다.

도 4는, 기액 분리기 형성부(12)의 구성을 나타내는 정면도이다. 도 5는, 기액 분리기 형성부(12)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 4에서는, 도 2에 도시한 상태로부터 커버 부재(11)를 제거하여, 기액 분리기 형성부(12)가 노출된 상태가 표시되어 있다.

기액 분리기 형성부(12)는, 전술한 제1 내벽부(202)에 추가하여, 가스 공급로 형성부(211)와, 포위부(221)를 구비하고 있다. 가스 공급로 형성부(211)는, 기액 분리기 형성부(12)에 있어서의 -X 방향의 단부에 배치되어 있으며, 가스 공급로(210)를 형성한다. 구체적으로는, 가스 공급로 형성부(211)는, Y축 방향, 즉 적층 방향 SD와 평행하게 연장되어 단면이 원형의 내벽을 갖고, 이러한 내벽에 의해 가스 공급로(210)를 형성한다. 가스 공급로 형성부(211)의 +Y 방향의 단부는, 저류부(13)로의 가스 유입구에 상당한다. 도 5에 있어서 파선의 화살표로 나타낸 바와 같이, 가스 유입구로부터 유입된 오프 가스는, 커버 부재(11)를 향한다.

포위부(221)는, 제1 내벽부(202)의 -Y 방향의 단부로부터 +Y 방향으로 돌출되어 오프 가스 배출구(220)를 둘러싸고 있다. 포위부(221)는, 대략 사다리꼴의 단면 형상을 갖는다. 또한, 포위부(221)는, Y축과 평행하게 연장하는 파이프 형상의 외관 형상을 갖는다. 포위부(221)는, 제1 벽부(222)와, 제2 벽부(223)와, 제3 벽부(224)를 갖는다. 제1 벽부(222)는, 제1 내벽부(202)의 천장 부분으로부터 하방을 향해 돌출되고, Y-Z 평면과 대략 평행하게 배치되어 있다. 제2 벽부(223)는, 제1 벽부(222)에 대하여 +X 방향으로 이격된 위치에 있어서, 제1 벽부(222)와 평행하게 배치되어 있다. 제3 벽부(224)는, 제1 벽부(222)의 하단부와, 제2 벽부(223)의 하단부를 접속한다. 여기서, 제2 벽부(223)의 연직 방향(Z축 방향)의 길이는, 제1 벽부(222)의 연직 방향의 길이보다도 길다. 따라서, 제3 벽부(224)는, +X 방향을 향함에 따라 점차 하방을 향하도록 경사져 있다. 전술한 3개의 벽부(222 내지 224)와, 제1 내벽부(202)의 천장 부분에 의해, 배출 유로(225)가 형성되어 있다. 배출 유로(225)는, 저류부(13)로부터 오프 가스 배출구(220)를 향하는 오프 가스의 흐름을 -Y 방향에서 규제한다. 오프 가스 배출구(220)는, 도 4, 도 5에 도시한 바와 같이, 배출 유로(225)에 있어서의 -Y 방향의 맨 끝 부분과, 제2 벽부(223)의 내측 부분과의 경계 부분에 형성되어 있다.

도 6은, 도 4에 도시한 기액 분리기 형성부(12)의 C-C 단면을 나타내는 단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면 S221은, 제1 엔드 플레이트(80)의 +Y 방향의 단부면인 커버 대향면 S80보다도, -Y 방향으로 제로가 아닌 거리 d1만큼 오프셋되어 있다. 환언하면, 포위부(221)의 단부면 S221은, 커버 대향면 S80으로부터 커버 부재(11)측으로 돌출되지 않는다. 이와 같이, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면 S221을, 커버 대향면 S80보다도 -Y 방향으로 오프셋시킴으로써, 커버 부재(11)측에 저류된 물이 배출 유로(225) 내에 침입하는 것을 억제하고 있다.

도 4, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 내벽부(202) 중 저면, 즉 -Z 방향으로 배치되어 있는 면은, 제1 면 S23과, 제2 면 S24를 갖는다. 이들 2개의 면 S23, S24는, 모두 커버 부재(11)의 저면, 즉 제2 내벽부(160) 중 저면과 접한다. 제1 면 S23은, 제2 면 S24의 -X 방향에 위치하여 제2 면 S24와 접속하고 있다. 제1 면 S23은, 포위부(221)의 연직 하방에 위치한다. 제1 면 S23은, +X 방향을 따라서 점차 하방으로 경사져 있다. 이에 반하여, 제2 면 S24는, +X 방향을 따라서 점차 상방으로 경사져 있다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 면 S23 및 제2 면 S24의 -Y 방향의 단면 형상은, 대략 V자형으로 되어 있다. 제1 면 S23과 제2 면 S24의 접속 부분, 즉, 선 형상의 부분은, 연료 전지 자동차가 수평 자세인 상태에 있어서의 기액 분리기 형성부(12)의 최하점 p21을 포함한다. 여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 면 S23과 포위부(221)의 제3 벽부(224)를 대략 평행하게 되도록 구성하고 있다. 「대략 평행」이라 함은, 제1 면 S23을 연장시켜서 얻어지는 면과, 제3 벽부(224)를 연장시켜서 얻어지는 면 사이의 각도가, 0°이상이며 또한 20°이하의 범위임을 의미한다. 이와 같이, 제1 면 S23과 포위부(221)의 제3 벽부(224)를 대략 평행하게 하는 이유에 대하여, 도 7을 이용하여 설명한다.

도 7a는, 연료 전지 자동차가 수평 자세인 경우에서의 저류부(13) 내에 저류된 물과, 포위부(221)의 위치 관계를 나타내는 설명도이다. 도 7b는, 연료 전지 자동차가 수평 자세가 아닌 경우에서의 저류부(13) 내에 저류된 물과, 포위부(221)의 위치 관계를 나타내는 설명도이다. 도 7a는, 예를 들어 연료 전지 자동차가 수평면을 주행하고 있는 경우에서의 저류부(13) 내에 저류된 물과, 포위부(221)의 위치 관계를 나타낸다. 도 7b는, 예를 들어 연료 전지 자동차가 오르막을 주행하고 있는 경우에서의 저류부(13) 내에 저류된 물과, 포위부(221)의 위치 관계를 나타낸다.

도 7a에 도시한 바와 같이, 기액 분리기 형성부(12)의 저부에는, 오프 가스로부터 분리된 물 W1이 저류되어 있다. 이때, 액면 WS1의 위치는, 포위부(221)의 하단부, 즉 제2 벽부(223)와 제3 벽부(224)의 교차 부분보다도 낮다.

이와 같이 물이 저류된 상태에서, 연료 전지 자동차가 오르막을 주행하면, 도 7b에 도시한 바와 같이, 기액 분리기 형성부(12)의 +X 방향의 단부가 -X 방향의 단부보다도 연직 상방에 위치하도록, 기액 분리기(10)가 배치되게 된다. 이때, 제1 면 S23은, 도 7a의 상태에 비하여 수평하게 가까운 상태로 되고, 기액 분리기 형성부(12)의 저부의 물 W1의 대부분은, 제1 면 S23 위에 위치하게 된다. 여기서, 제1 면 S23은 제3 벽부(224)와 대략 평행하기 때문에, 물 W1의 액면 WS2는, 제3 벽부(224)와 대략 평행하게 된다. 이로 인해, 제3 벽부(224)와 액면 WS2 사이의 간극 G1의 Z 방향의 길이는, 어느 쪽의 위치에서도 거의 동등하다. 따라서, 액면 WS2가 제3 벽부(224)에 접하고, 물 W1이 배출 유로(225)로부터 오프 가스 배출구(220)에 흡입되는 것이 억제된다.

도 8은, 커버 부재(11)의 구성을 나타내는 평면도이다. 도 9는, 커버 부재(11)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 8, 도 9에서는, 제1 엔드 플레이트(80)에 장착하기 전의 커버 부재(11)를 나타내고 있다.

커버 부재(11)는, 전술한 제2 내벽부(160), 돌출부(110) 및 경사면 S101에 추가하여, 배수 유로 형성부(120)를 구비한다. 돌출부(110)는, 커버 부재(11)의 제2 내벽부(160)에 있어서의 가스 유입구에 대향하는 위치와, 배수 유로 형성부(120)에 형성된 배수구(121)의 사이에 배치되어 있다. 돌출부(110)는, 후육부(111)와 박육부(112)를 구비하고, 이들이 일체화된 구조를 갖는다. 후육부(111)는, 박육부(112)에 비하여 Z축 방향의 길이가 크고, 제2 내벽부(160)의 저면과 접하고 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 후육부(111)의 -Y 방향의 단부면 S110은, 커버 부재(11) 전체로서의 -Y 방향의 단부면인 형성부 대향면 S11보다도 +Y 방향으로 거리 d2만큼 오프셋되어 있다. 박육부(112)는, 박판 형상의 외관 형상을 갖고, 후육부(111)에 대하여 +X 방향으로 위치한다. 박육부(112)의 +Z 방향의 면은, 후육부(111)의 +Z 방향의 단부면과 일체화되어 하나의 면, 즉 천장면을 형성하고 있다. 박육부(112)의 하단부, 즉 -Z 방향의 단부면은, 제2 내벽부(160)의 저면에 접하지 않는다. 따라서, 박육부(112)는, 후육부(111)에 지지되어 있다. 후육부(111) 및 박육부(112)의 천장면은, 제2 내벽부(160)에 접하지 않는다. 따라서, 돌출부(110)와 제2 내벽부(160)의 천장면의 사이에는 공극이 형성되어 있다.

제2 내벽부(160) 중 저면은, 제3 면 S13과, 제4 면 S14를 갖는다. 제3 면 S13은, 전술한 기액 분리기 형성부(12)의 제1 면 S23과 접해서 하나의 평면을 형성한다. 마찬가지로, 제4 면 S14는, 전술한 기액 분리기 형성부(12)의 제2 면 S24와 접해서 1개의 평면을 형성한다. 따라서, 제3 면 S13 및 제4 면 S14의 +Y 방향의 단부 단면 형상은, 제1 면 S23 및 제2 면 S24의 -Y 방향의 단면 형상과 마찬가지로, 대략 V자형으로 되어 있다. 제3 면 S13 및 제4 면 S14의 접속 부분, 즉 선 형상의 부분은, 연료 전지 자동차가 수평 자세인 상태에 있어서 커버 부재(11)에 있어서의 최하점 p11을 포함한다. 이 최하점 p11은, 전술한 기액 분리기 형성부(12)의 최하점 p21과 Y축 방향에 대응한다. 전술한 돌출부(110)는, 제3 면 S13에 접해서 배치되어 있다.

경사면 S101은, 돌출부(110)의 -X 방향으로 배치되고, 돌출부(110)의 하단부에 접하고 있다. 경사면 S101은, 기액 분리기 형성부(12)에 형성되어 있는 가스 유입구에 대향하고 있다. 전술한 바와 같이, 경사면 S101은, 커버 부재(11)로부터 기액 분리기 형성부(12)를 향하는 방향, 즉 -Y 방향을 따라서 점차 하방으로 경사져 있다. 환언하면, 기액 분리기 형성부(12)로부터 커버 부재(11)를 향하는 방향, 즉 +Y 방향을 따라서 점차 상방으로 경사져 있다. 경사면 S101의 하단부, 즉, -Y 방향의 단부는, 도 3에 도시한 간극(190)의 저면과 접하고 있다.

배수 유로 형성부(120)는, 제2 내벽부(160) 중 저면에 접해서 배치되어 있다. 배수 유로 형성부(120)의 내부에는, +X 방향으로 연장되는 도시하지 않은 배수 유로가 형성되어 있다. 배수 유로 형성부(120)의 -X 방향의 단부에는, 배수구(121)가 형성되어 있다. 배수구(121)는, 제2 내벽부(160)의 저면 근방에 위치하고, 저류부(13)의 내부에 노출되어 있다. 또한, 전술한 배수 유로의 상세 구성에 대해서는 후술한다. 저류부(13) 내에 저류된 물은, 배수구(121)로부터 배수 유로로 배출된다.

저류부(13)에 있어서의 오프 가스의 흐름에 대하여, 도 8을 이용하여 설명한다. 가스 유입구로부터 저류부(13)에 유입된 오프 가스 중 대부분의 오프 가스는, 경사면 S101에 대응해서 경사면 S101을 따라 상승하고, 제2 내벽부(160)에 있어서의 +Y 방향의 벽 S102와, +Z 방향의 벽, 즉 천장면 S103과 돌출부(110)의 상면으로 둘러싸인 영역을, 대략 +X 방향으로 향한다. 돌출부(110)가 존재하기 때문에, 경사면 S101을 따라 상승한 오프 가스가 저류부(13)의 저면을 향하는 것, 즉 -Z 방향을 향하는 것이 억제된다. 돌출부(110)의 상면을 통과한 오프 가스 중 대부분의 오프 가스는, 기액 분리기 형성부(12)를 향하고, 배출 유로(225)를 통과하여 오프 가스 배출구(220)로부터 배출된다. 돌출부(110)의 상면을 통과한 오프 가스 중 나머지의 오프 가스는, 배수구(121)로부터 물과 함께 배수 유로로 배출된다. 기액 분리기 형성부(12)의 가스 유입구로부터 저류부(13)에 유입된 오프 가스 중 극히 근소한 오프 가스는, 경사면 S101을 따라 하강하여 도 3에 도시한 간극(190)을 +X 방향을 향하고, 오프 가스 배출구(220) 또는 배수구(121)로부터 배출된다.

전술한 바와 같이, 기액 분리기(10) 내에 공급된 오프 가스는, 저류부(13)의 벽면이나 돌출부(110)의 천장면에 부딪침으로써 방향을 바꾸면서 저류부(13) 내를 유동하여, 기액 분리기(10)로부터 배출된다. 이때, 오프 가스에 포함되는 수분은, 오프 가스가 저류부(13)의 벽면이나 돌출부(110)의 상면에 충돌했을 때 방출되어, 각 벽면을 하방으로 흐른다. 예를 들어, 경사면 S101에 있어서의 액체의 물은, 경사면 S101을 따라 하방으로 흐른다. 여기서, 경사면 S101의 하단부는 간극(190)의 하단부와 접속하고 있기 때문에, 또한 간극(190)의 연직 하방에 위치하는 제3 면 S13은 +X 방향을 따라서 하방으로 경사져 있기 때문에, 경사면 S101을 하강한 물은, 간극(190)을 통과하여 +X 방향으로 이동하여 배수구(121)를 향한다. 또한, 제2 내벽부(160) 중, 경사면 S101과는 다른 벽에서 방출된 물은, 각 벽을 하방으로 흘러 저류부(13)의 저부에 저류되고, 배수구(121)로부터 배수 유로로 배출된다.

여기서, 배수구(121)는 커버 부재(11)에 형성되어 있는 데 비하여, 저류부(13)의 오프 가스 배출구(220)는 기액 분리기 형성부(12)에 형성되어 있다. 또한, 배수구(121)는 저류부(13)의 저부에 배치되어 있는 데 비하여, 오프 가스 배출구(220)는 저류부(13)의 천장부 근방에 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 이러한 구조로 함으로써, 배수구(121)와 오프 가스 배출구(220) 사이의 거리를 비교적 길게 하여, 배수구(121) 근방에 저류된 물이 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제한다. 또한, 돌출부(110)를 설치함으로써, 저류부(13)에 유입된 오프 가스가 직선적으로 저류부(13)의 저부를 향하는 것을 억제한다. 이와 같이 하여, 저류부(13)의 저부에 저류된 물의 수면에 오프 가스가 직접 부딪치고, 물이 튀어서 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제한다.

또한, 기액 분리기(10)에서는, 저류부(13)에 있어서의 가스 유입구와 오프 가스 배출구(220)를 모두 기액 분리기 형성부(12)측에 설치함과 함께, 이들 가스 유입구 및 오프 가스 배출구(220)와 대향하는 커버 부재(11)의 제2 내벽부(160)를 +Y 방향으로 오목 형상으로 형성함으로써, 저류부(13) 내에 있어서의 오프 가스의 흐름이 대략 U자 형상의 흐름이 되도록 제어되고 있다. 전술한 대략 U자 형상의 흐름이란, 구체적으로는 오프 가스가, 가스 유입구로부터 커버 부재(11)를 향하고, 저류부(13)의 벽을 부딪치면서 대략 +X 방향으로 이동하고, 커버 부재(11)로부터 기액 분리기 형성부(12)를 향해 이동하여 오프 가스 배출구(220)로부터 배출되는 흐름을 의미한다. 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이 저류부(13) 내에 있어서의 오프 가스의 흐름을 대략 U자 형상의 흐름으로 함으로써, 저류부(13) 내에 있어서의 오프 가스의 유로 전부 길이를 비교적 크게 하여 오프 가스로부터 물을 분리하는 기회를 보다 많게 하고 있다.

도 10은, 기액 분리기(10) 내, 즉 저류부(13) 내에 있어서의 저류된 물의 배치를 나타내는 설명도이다. 도 10a는, 연료 전지 자동차가 수평 자세인 경우에서의 저류부(13) 내에 저류된 물의 배치를 나타내는 설명도이다. 도 10b는, 연료 전지 자동차가 수평 자세가 아닌 경우에서의 저류부(13) 내에 저류된 물의 배치를 나타내는 설명도이다. 도 10a에서는, 예를 들어 연료 전지 자동차가 수평면을 주행하고 있는 경우에서의 커버 부재(11)의 내부 상태가 표시되어 있다. 도 10b에서는, 예를 들어 연료 전지 자동차가 오르막을 주행하고 있는 경우에서의 커버 부재(11)의 내부 상태가 표시되어 있다.

도 10a에 도시한 바와 같이, 커버 부재(11)의 저부에는, 오프 가스로부터 분리된 물 W2가 저류되고 있다. 이때, 물 W2의 액면 WS3은, 배수구(121)의 근방에 위치하고 있다. 이로 인해, 물 W2는 배수구(121)로부터 배출되기 쉽다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 돌출부(110)의 +X 방향의 단부면 S111과, 최하점 p11 사이의 길이 L1을 짧게 설정하고 있다. 구체적으로는, 저류부(13), 보다 상세하게는 제2 내벽부(160)에 있어서의 +X 방향의 단부면 S161과 최하점 p11 사이의 길이 L2에 비하여, 길이 L1을 짧게 설정하고 있다. 이로 인해, 도 10b에 도시한 바와 같이, 연료 전지 자동차가 오르막을 주행하여 물 W2가 돌출부(110)측으로 이동한 경우에, 물 W2의 액면 WS4의 높이, 즉 연직 방향을 따른 위치를, 길이 L1이 보다 긴 구성에 비하여, 보다 상방에 위치시킬 수 있다. 그로 인해, 길이 L1이 보다 긴 구성에 비하여, 액면 WS4를 배수구(121)로부터 비교적 가까운 위치에 배치시킬 수 있어, 물 W2가 배수구(121)로부터 배출되지 않는 것을 억제할 수 있다.

도 11a는, 도 3에 있어서의 B-B 단면을 나타내는 단면도이다. 도 11b는, 도 11a에 있어서의 영역 Ar1을 확대해서 나타내는 확대 단면도이다. 도 11c는, 도 11b에 있어서의 영역 Ar2를 확대해서 나타내는 확대 단면도이다. 또한, 도 11a에서는, 밸브 장치(500)의 +X 방향의 일부 상세 구조에 대해서는 생략하고 있다.

도 11a에 도시한 바와 같이, 배수 유로 형성부(120)의 내부에는, X축 방향으로 연장되는 배수 유로(122)가 형성되어 있다. 배수 유로(122)의 -X 방향의 단부는 배수구(121)로서 형성되어 있다. 도 11b에 도시한 바와 같이, 배수 유로(122)의 연직 하방의 면은, 3개의 면, 즉, 제1 저면(151), 제2 저면(152) 및 제3 저면(153)을 갖는다. 제1 저면(151), 제2 저면(152) 및 제3 저면(153)은, 이 순서에서, 배수구(121)로부터 +X 방향으로 배열되어 있다. 제1 저면(151)의 연직 방향의 위치는, 제2 저면(152)의 연직 방향의 위치보다도 높다. 또한, 제2 저면(152)의 연직 방향의 위치는, 제3 저면(153)의 연직 방향의 위치보다도 높다. 따라서, 도 11b에 도시한 바와 같이, 배수 유로(122)의 저면 연직 방향의 위치는, +X 방향을 따라서 계단 형상으로 내려오고 있다.

밸브 장치(500)는, -X 방향으로 연장되는 파이프 형상의 접속부(510)를 갖는다. 접속부(510)의 내부에는, 연통 유로(511)가 설치되어 있다. 기액 분리기(10)에 밸브 장치(500)가 장착된 상태에 있어서, 접속부(510)는, 배수 유로(122)에 삽입되어 있다. 연통 유로(511)는, 접속부(510)의 내부를 X축 방향을 따라 관통하는 관통 구멍으로서 형성되어 있다. 연통 유로(511)의 양단부는 개방되고, -X 방향의 개방 단부는 배수 유로(122)와 연통하고, +X 방향의 개방 단부는 밸브 장치(500)의 내부에 위치하고 있다. 연통 유로(511)의 +X 방향의 개방 단부는, 배기 배수 밸브(53)에 의해 폐색될 수 있다. 도 11b 및 도 11c에 도시한 바와 같이, 접속부(510)의 -X 방향의 단부는, 제1 저면(151)과 제2 저면(152)을 접속하는 Z축 방향을 따른 벽면 S151에 대하여 거리 d4만큼 +X 방향으로 어긋난 위치에 배치되어 있다. 이것은, 밸브 장치(500) 또는 기액 분리기(10)의 제조 변동에 기인하여 접속부(510)의 -X 방향의 단부가 벽면 S151에 부딪치고, 밸브 장치(500)가 정상적으로 기액 분리기(10)에 장착되지 않는 것을 억제하기 위해서이다.

여기서, 도 11b 및 도 11c에 도시한 바와 같이, 연통 유로(511)의 연직 하방의 면, 즉 저면(512)의 연직 방향을 따른 위치와, 제1 저면(151)의 연직 방향을 따른 위치는, 거의 동등하다. 따라서, 저류부(13)의 저부에 저류된 물이 배출될 때 배수 유로(122) 내에 물이 멈추는 것을 억제할 수 있어, 물의 배출을 원활하게 행할 수 있다. 배수 유로(122) 내에 물이 머무른 채 연료 전지 시스템(5)의 운전이 정지하고, 연료 전지 시스템(5)의 배치 환경이 매우 저온의 환경이 된 경우, 배수 유로(122) 내에 머무르고 있는 물은 과냉각수로 될 수 있다. 이 상태에서 연료 전지 시스템(5)이 기동한 경우, 과냉각수가 배기 배수 밸브(53)를 향해 이동하여 배기 배수 밸브(53)에 있어서 동결될 우려가 있다. 이와 같이 배기 배수 밸브(53)에 있어서 물이 동결하면, 배기 배수 밸브(53)가 개방되지 않고 배수가 행해지지 않게 될 우려가 있다. 또한, 배수 유로(122) 내에 물이 머물러 있는 경우, 이러한 물이 불연속으로 배기 배수 밸브(53)로부터 배출되어 귀에 거슬린 소리가 발생할 우려가 있다. 그러나, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(5)에서는, 전술한 바와 같이, 배수 유로(122)에 물이 체류되는 것을 억제할 수 있으므로, 배기 배수 밸브(53)에 있어서 물이 동결하여 밸브 개방되지 않는 것, 및 귀에 거슬린 소리가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서, 전술한 제1 엔드 플레이트(80)는, 청구항에 있어서의 엔드 플레이트의 하위 개념에 상당한다. 또한, 경사면 S101은 청구항에 있어서의 경사면의 하위 개념에 상당한다.

이상 설명한 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(5)에 사용되는 기액 분리기(10)는, 제1 엔드 플레이트(80)의 일부로서 형성되어 있는 기액 분리기 형성부(12)와, 제1 엔드 플레이트(80)에 장착되는 커버 부재(11)에 의해 구성되어 있으므로, 제1 엔드 플레이트(80)와는 별도로 기액 분리기를 준비하는 구성에 비하여, 제1 엔드 플레이트(80)와 기액 분리기(10)의 합계의 설치 스페이스의 대형화를 억제할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지 시스템(5)의 대형화를 억제할 수 있다. 또한, 2개의 부재를 겹침으로써 기액 분리기(10)를 구성하므로, 돌출부(110) 및 제1 면 S23이나 제2 면 S24 등의 기액 분리기(10) 내부의 구조를 비교적 용이하게 제조할 수 있다.

또한, 저류부(13)에 있어서의 가스 유입구와 오프 가스 배출구(220)를 모두 기액 분리기 형성부(12)측에 설치함과 함께, 이들 가스 유입구 및 오프 가스 배출구(220)와 대향하는 커버 부재(11)의 제2 내벽부(160)를 +Y 방향으로 오목 형상으로 형성하고 있기 때문에, 저류부(13) 내에 있어서의 오프 가스의 흐름을 대략 U자 형상의 흐름이 되도록 제어할 수 있다. 이로 인해, 저류부(13) 내에 있어서의 오프 가스의 유로 전부 길이를 비교적 크게 할 수 있다. 따라서, 오프 가스로부터 물을 분리하는 기회를 보다 많게 할 수 있다.

또한, 배수구(121)를 커버 부재(11)에 형성하여 오프 가스 배출구(220)를 기액 분리기 형성부(12)에 형성함과 함께, 배수구(121)를 저류부(13)의 저부에 배치해서 오프 가스 배출구(220)를 저류부(13)의 천장부 근방에 배치하고 있다. 이로 인해, 배수구(121)와 오프 가스 배출구(220) 사이의 거리를 비교적 길게 할 수 있어, 배수구(121) 근방에 저류된 물이 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제할 수 있다. 이로 인해, 오프 가스로부터의 물의 분리 효율을 향상할 수 있다.

또한, 기액 분리기(10)에는, 커버 부재(11)에 돌출부(110)를 설치하고 있으므로, 가스 유입구로부터 커버 부재(11)를 향해 공급된 오프 가스가, 직선적으로 저류부(13)의 저부를 향하는 것이 억제된다. 이로 인해, 저류부(13)의 저부에 저류된 물의 액면에 오프 가스가 직접 부딪치고, 물이 튀어서 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 돌출부(110)를 설치함으로써, 저류부(13)에 저류된 물이 저류부(13) 내를 유동하는 오프 가스에 의해 감아 올려져서 가스 유입구를 향하는(되돌아가는) 것을 억제할 수 있다.

또한, 돌출부(110), 보다 상세하게는 후육부(111)의 단부면 S110을, 커버 부재(11) 전체로서의 -Y 방향의 단부면인 형성부 대향면 S11보다도 +Y 방향으로 거리 d2만큼 오프셋시킴으로써 간극(190)을 형성하고, 또한, 이러한 간극(190)의 저면과, 가스 유입구와 대향하는 경사면 S101의 하단부를 접속하고 있다. 이로 인해, 경사면 S101을 흘러내리는 액체의 물을, 간극(190)을 통해 배수구(121)를 향하게 할 수 있다. 또한, 간극(190)의 저면, 즉 제3 면 S13을, +X 방향을 따라서 하방으로 경사져서 형성하고 있으므로, 간극(190)에 있어서 물이 배수구(121)를 향하는 것을 촉진시킬 수 있다.

또한, 돌출부(110)의 단부면 S111과 최하점 p11 사이의 길이 L1을, 제2 내벽부(160)에 있어서의 +X 방향의 단부면 S161과 최하점 p11 사이의 길이 L2에 비해서 짧게 설정하고 있기 때문에, 길이 L1을 보다 길게 한 구성에 비하여, 연료 전지 자동차가 오르막을 주행할 경우, 즉 기액 분리기(10)가 X축 방향으로 경사진 경우에, 저류부(13)의 저부에 저류된 물의 액면을 배수구(121)에 의해 접근할 수 있다. 이로 인해, 저류부(13)에 저류된 물의 배출을 촉진할 수 있다.

또한, 배수 유로(122)에 있어서의 제1 저면(151)의 연직 방향의 위치를, 접속부(510)의 연통 유로(511)의 저면(512)의 연직 방향의 위치와 거의 동일하게 하고 있으므로, 저류부(13)의 저부에 저류된 물이 배출될 때 배수 유로(122) 내에 머무르는 것을 억제하여, 물의 배출을 원활하게 행할 수 있다. 이로 인해, 배수 유로(122)에 머무르고 있는 물에 기인하여 배기 배수 밸브(53)가 밸브 개방되지 않는 것, 및 귀에 거슬린 소리가 발생하는 것을, 억제할 수 있다.

또한, 포위부(221)에 의해 오프 가스 배출구(220)를 둘러싸고 있으므로, 저류부(13)의 바닥에 저류된 물이 오프 가스 배출구(220)에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면 S221을, 제1 엔드 플레이트(80)의 +Y 방향의 단부면인 커버 대향면 S80보다도, -Y 방향으로 거리 d1만큼 오프셋시키고 있으므로, 연료 전지 자동차의 자세가 수평 상태로부터 기울어져서, 커버 부재(11)에 저류된 물의 수면이 천장면 S103의 근방까지 상승한 경우에, 이러한 물을 포위부(221)에 의해 흡입해버리는 것을 억제할 수 있다. 이로 인해, 커버 부재(11)측에 저류된 물이 배출 유로(225) 내에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 저류부(13)의 저면, 즉 제1 면 S23 및 제3 면 S13과 포위부(221)의 제3 벽부(224)를, 서로 대략 평행하게 형성하고 있으므로, 연료 전지 자동차가 오르막을 주행할 경우에, 저류부(13)에 저류된 물의 액면과 포위부(221) 사이의 거리를 비교적 크게 할 수 있다. 이로 인해, 물이 배출 유로(225)로부터 오프 가스 배출구(220)에 흡입되는 것을 억제할 수 있다.

B. 변형예:

B1. 변형예 1:

상기 실시 형태에 있어서, 배수 유로(122)의 제1 저면(151)의 연직 방향을 따른 위치와, 연통 유로(511)의 저면(512)의 연직 방향을 따른 위치는, 대략 동일하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 12a는, 변형예에 있어서의 기액 분리기(10)와 밸브 장치의 접속 부분의 변형예에 있어서의 제1 형태를 나타내는 설명도이다. 도 12b는, 변형예에 있어서의 기액 분리기(10)와 밸브 장치의 접속 부분의 변형예에 있어서의 제2 형태를 나타내는 설명도이다.

도 12a의 형태에서는, 배수 유로(122)의 제1 저면(151)의 연직 방향을 따른 위치는, 연통 유로(511)의 저면(512a)의 연직 방향을 따른 위치보다도 상방이다. 이러한 형태에 있어서도, 저류부(13)의 저부에 저류된 물이 배출될 때 배수 유로(122) 내에 머무르는 것을 억제할 수 있다.

도 12b의 형태에서는, 연통 유로(511)의 저면(512b)은, -X 방향의 단부가 가장 연직 상방에 위치하고, +X 방향을 향함에 따라서 하방으로 경사져 있다. 여기서, 저면(512b)의 -X 방향의 단부 연직 방향을 따른 위치는, 배수 유로(122)의 제1 저면(151)의 연직 방향을 따른 위치와 거의 동등하다. 따라서, 제1 저면(151)의 연직 방향을 따른 위치는, 저면(512b)의 어느 쪽의 부분에서의 연직 방향을 따른 위치와 동일하거나 또는 보다 상방이다.

이상의 변형예 및 상기 실시 형태로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 배수 유로(122)의 제1 저면(151)의 연직 방향을 따른 위치가, 연통 유로(511)의 저면(512b)의 연직 방향을 따른 위치와 동일하거나 또는 보다 상방인 기액 분리기에, 본 발명을 적용할 수 있다.

B2. 변형예 2:

상기 실시 형태에서는, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면 S221이 제1 엔드 플레이트(80)의 +Y 방향의 단부면인 커버 대향면 S80보다도 -Y 방향으로 거리 d1만큼 오프셋되어 있는 점과, 저류부(13)의 저면, 즉 제1 면 S23 및 제3 면 S13과, 포위부(221)의 제3 벽부(224)를 서로 대략 평행하게 형성하고 있는 점이 모두 실현되고 있었지만, 이들 2점 중 어느 1점만이 실현되어도 된다. 이러한 구성에 있어서도, 오프 가스로부터 분리된 물이 배출 유로(225)로부터 오프 가스 배출구(220)로 흡입되는 것을 억제할 수 있다.

B3. 변형예 3:

상기 실시 형태에 있어서의 기액 분리기(10)의 구성은, 어디까지나 일례이며, 다양하게 변경 가능하다. 예를 들어, 기액 분리기(10)로의 오프 가스의 유입구 및 오프 가스 배출구(220)는, 모두 기액 분리기 형성부(12)에 형성되어 있지만, 이들 중 적어도 한쪽을, 커버 부재(11)에 형성하여도 된다. 또한, 배수 유로 형성부(120)는, 커버 부재(11), 보다 상세하게는 제2 내벽부(160)의 저부에 형성되어 있지만, 기액 분리기 형성부(12), 보다 상세하게는 제1 내벽부(202)의 저부에 형성되어도 된다. 또한, 기액 분리기(10)에 있어서 돌출부(110)를 생략하여도 된다. 이러한 구성에 있어서도, 기액 분리기(10)의 일부를 제1 엔드 플레이트(80) 내에 형성하므로, 연료 전지 시스템의 대형화를 억제할 수 있다. 또한, 간극(190)의 저면에 경사를 설치하지 않아도 된다. 적어도 간극(190)이 형성되어 있음으로써, 경사면 S101을 내려가서 경사면 S101의 하단부에 도달한 물이, 배수구(121)를 향하는 것이 방해되지 않는다. 또한, 도 10에 도시한 길이 L1을, 길이 L2와 동일하거나 또는 보다 길게 하여도 된다. 또한, 포위부(221)의 하방 벽인 제3 벽부(224)는, 제1 면 S23과 대략 평행하지만, 제1 면 S23과 대략 평행하지 않아도 된다. 이 구성에 있어서도, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면 S221을, 커버 대향면 S80보다도 -Y 방향으로 오프셋시킴으로써, 커버 부재(11)측에 저류된 물이 배출 유로(225) 내에 유입되는 것을 억제할 수 있다. 상기 실시 형태에 있어서, 기액 분리기 형성부(12)는, 제1 엔드 플레이트(80)에 형성되어 있지만, 제1 엔드 플레이트(80) 대신에, 제2 엔드 플레이트(81)에 형성되어도 된다. 이 구성에 있어서는, 수소 가스의 공급계 및 배출계를, 제2 엔드 플레이트(81)측에 설치함과 함께, 제2 엔드 플레이트(81) 및 터미널 플레이트(83)에, 애노드측 반응 가스의 유통용 매니폴드와 연통하기 위한 관통 구멍을 형성하여도 된다.

본 발명은, 전술한 실시 형태 및 변형예에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 변형예 중의 기술적 특징은, 전술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 혹은, 전술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 대체나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.

5: 연료 전지 시스템
7: 연료 전지
10: 기액 분리기
11: 커버 부재
12: 기액 분리기 형성부
13: 저류부
20: 수소 탱크
30: 공기 압축기
40: 순환 펌프
51: 차단 밸브
52: 인젝터
53: 배기 배수 밸브
54: 삼방 밸브
55: 압력 조정 밸브
61: 연료 가스 공급로
62: 연료 가스 순환로
63: 연료 가스 배출로
71: 산화제 가스 공급로
72: 산화제 가스 배출로
73: 바이패스 유로
80: 제1 엔드 플레이트
81: 제2 엔드 플레이트
82: 터미널 플레이트
83: 터미널 플레이트
90: 셀 스택
110: 돌출부
111: 후육부
112: 박육부
120: 배수 유로 형성부
121: 배수구
122: 배수 유로
151: 제1 저면
152: 제2 저면
153: 제3 저면
160: 제2 내벽부
190: 간극
202: 제1 내벽부
210: 가스 공급로
211: 가스 공급로 형성부
220: 오프 가스 배출구
221: 포위부
222: 제1 벽부
223: 제2 벽부
224: 제3 벽부
225: 배출 유로
500: 밸브 장치
510: 접속부
511: 연통 유로
512: 저면
512a: 저면
512b: 저면
S13: 제3 면
Ar1: 영역
Ar2: 영역
G1: 간극
S11: 형성부 대향면
S14: 제4 면
S23: 제1 면
S24: 제2 면
S80: 커버 대향면
S101: 경사면
S102: 벽
S103: 천장면
S110: 단부면
S111: 단부면
S151: 벽면
S161: 단부면
S221: 단부면
SD: 적층 방향
W1: 물
W2: 물
WS1: 액면
WS2: 액면
WS3: 액면
WS4: 액면
d1: 거리
d2: 거리
d4: 거리
p11: 최하점
p21: 최하점

Claims

적층된 복수의 단위 셀을 갖는 셀 스택과, 상기 셀 스택에 대하여 상기 복수의 단위 셀의 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트를 갖고 이동체에 탑재되어 있는 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리하여 배출하는 기액 분리기이며,
상기 엔드 플레이트에 형성되고, 상기 엔드 플레이트에 있어서의 상기 적층 방향의 단부면 중 상기 셀 스택과는 반대측의 단부면에 개구되고, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 기액 분리기 형성부와,
상기 기액 분리기 형성부의 개구를 덮어 배치되고, 상기 기액 분리기 형성부와 함께 상기 기액 분리기를 구성하는 커버 부재
를 구비하고,
상기 기액 분리기 형성부는,
상기 오프 가스의 배출구가 형성되어 있으며, 상기 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 상기 오프 가스로부터 분리된 물이 저류되는 저류부의 일부를 형성하는 제1 내벽부이며, 상기 개구에 접속하여 상기 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부와,
상기 기액 분리기 형성부로부터 상기 커버 부재를 향하는 제1 방향을 따라서 상기 제1 내벽부로부터 돌출되어 상기 오프 가스의 배출구를 둘러싸는 포위부
를 갖는, 기액 분리기.
제1항에 있어서,
상기 포위부의 상기 제1 방향의 단부면은, 상기 엔드 플레이트의 상기 제1 방향의 단부면으로부터 상기 제1 방향과는 반대 방향으로 오프셋되어 있는, 기액 분리기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 포위부의 외표면 중, 상기 이동체가 수평 자세인 상태에 있어서 상기 포위부의 연직 하방측의 경사면은, 상기 경사면에 대향하는 상기 저류부의 저면과 평행한, 기액 분리기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 내벽부에는, 상기 기액 분리기로의 상기 오프 가스의 유입구가 형성되어 있으며,
상기 커버 부재는,
상기 커버 부재에 있어서의 상기 기액 분리기 형성부와 대향하는 면에 형성된 개구에 접속하여 상기 커버 부재의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부이며, 상기 적층 방향으로 상기 제1 내벽부와 대향하여 배치되어, 상기 제1 내벽부와 함께 상기 저류부를 형성하는 제2 내벽부와,
상기 저류부에 저류된 물을 배출하는 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부
를 갖는, 기액 분리기.
이동체에 탑재되어 사용되는 연료 전지 시스템이며,
적층된 복수의 단위 셀을 갖는 셀 스택과, 상기 셀 스택에 대하여 상기 복수의 단위 셀의 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트를 갖는 연료 전지와,
상기 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리하여 배출하는 기액 분리기
를 구비하고,
상기 기액 분리기는,
상기 엔드 플레이트에 형성되고, 상기 엔드 플레이트에 있어서의 상기 적층 방향의 단부면 중 상기 셀 스택과는 반대측의 단부면에 개구되고, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 기액 분리기 형성부와,
상기 기액 분리기 형성부의 개구를 덮어 배치되고, 상기 기액 분리기 형성부와 함께 상기 기액 분리기를 구성하는 커버 부재
를 갖고,
상기 기액 분리기 형성부는,
상기 오프 가스의 배출구가 형성되어 있으며, 상기 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 상기 오프 가스로부터 분리된 물이 저류되는 저류부의 일부를 형성하는 제1 내벽부이며, 상기 개구에 접속하여 상기 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부와,
상기 기액 분리기 형성부로부터 상기 커버 부재를 향하는 제1 방향을 따라서 상기 제1 내벽부로부터 돌출되어 상기 오프 가스의 배출구를 둘러싸는 포위부
를 갖는, 연료 전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 포위부의 상기 제1 방향의 단부면은, 상기 엔드 플레이트의 상기 제1 방향의 단부면으로부터 상기 제1 방향과는 반대 방향으로 오프셋되어 있는, 연료 전지 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 포위부의 외표면 중, 상기 이동체가 수평 자세인 상태에 있어서 상기 포위부의 연직 하방측의 경사면은, 상기 경사면에 대향하는 상기 저류부의 저면과 평행한, 연료 전지 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 내벽부에는, 상기 기액 분리기로의 상기 오프 가스의 유입구가 형성되어 있으며,
상기 커버 부재는,
상기 커버 부재에 있어서의 상기 기액 분리기 형성부와 대향하는 면에 형성된 개구에 접속하여 상기 커버 부재의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부이며, 상기 적층 방향으로 상기 제1 내벽부와 대향하여 배치되고, 상기 제1 내벽부와 함께 상기 저류부를 형성하는 제2 내벽부와,
상기 저류부에 저류된 물을 배출하는 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부
를 갖는, 연료 전지 시스템.