KR101855561B1 - 기액 분리기 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

기액 분리기는, 상기 엔드 플레이트에 형성된 기액 분리기 형성부(12)와, 커버 부재(11)를 구비한다. 상기 기액 분리기 형성부(12)는, 상기 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 저류부(13)의 일부를 형성하는 제1 내벽부(202)이며, 상기 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부(202)를 갖는다. 상기 커버 부재(11)는, 상기 커버 부재(11)의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부(160)이며, 상기 제1 내벽부(202)와 상기 적층 방향에 대향해서 배치되고, 상기 제1 내벽부(202)와 함께 상기 저류부(13)를 형성하는 제2 내벽부(160)를 갖는다.

Description

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

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

고체 고분자형 연료 전지 등의 연료 전지에 사용되는 전해질막은, 고습윤 상태에서 높은 발전 성능을 발휘할 수 있기 때문에, 연료 전지에 공급하는 반응 가스가 가습되는 경우가 있다. 또한, 반응 가스의 이용률의 향상과 연료 전지 내에서의 물의 체류의 억제를 목적으로, 연료 전지로부터 배출되는 오프 가스로부터 물을 분리하고, 얻어진 반응 가스를 다시 연료 전지에 공급하는 순환형의 반응 가스 공급 기구가 사용되는 경우가 있다. 이러한 반응 가스 공급 기구에서는, 오프 가스로부터 물을 분리하기 위해서 기액 분리기가 사용된다. 예를 들어, 일본 특허 제5354026의 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 스택에 반응 가스를 공급하기 위한 공급로와 연료 전지 스택으로부터 오프 가스를 배출하기 위한 배출로가 엔드 플레이트(스택 매니폴드)에 형성되고, 이러한 엔드 플레이트에 기액 분리기가 접속되어 사용된다.

그러나, 일본 특허 제5354026의 연료 전지 시스템에서는, 엔드 플레이트와는 별도로 기액 분리기가 배치되기 때문에, 엔드 플레이트의 설치 스페이스와 기액 분리기의 설치 스페이스를 합친 총 설치 스페이스가 매우 커져서, 연료 전지 시스템이 대형화한다는 문제가 있었다.

이 때문에, 기액 분리기를 사용한 연료 전지 시스템의 대형화를 억제 가능한 기술이 요망되고 있었다.

(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 적층된 복수의 단셀을 갖는 셀 스택과, 상기 셀 스택에 대하여 상기 복수의 단셀의 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트를 갖는 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리해서 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 개구되어, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 기액 분리기 형성부와; 상기 기액 분리기 형성부의 개구를 덮어서 배치되고, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 커버 부재; 를 구비하고, 상기 기액 분리기 형성부는, 상기 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 상기 오프 가스로부터 분리된 물이 저류되는 저류부의 일부를 형성하는 제1 내벽부이며, 상기 개구에 접속해서 상기 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부를 갖고, 상기 커버 부재는, 상기 커버 부재에 있어서의 상기 기액 분리기 형성부와 대향하는 면에 형성된 개구에 접속해서 상기 커버 부재의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부이며, 상기 제1 내벽부와 상기 적층 방향에 대향해서 배치되고, 상기 제1 내벽부와 함께 상기 저류부를 형성하는 제2 내벽부를 갖는 기액 분리기. 이 형태의 기액 분리기에 의하면, 엔드 플레이트에 형성되어 있는 기액 분리기 형성부와, 커버 부재를 구비하고 있으므로, 엔드 플레이트와는 별체로서 기액 분리기를 준비하는 구성에 비해, 엔드 플레이트와 기액 분리기의 총 설치 스페이스의 대형화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 이러한 기액 분리기를 연료 전지 시스템에 사용한 경우에, 연료 전지 시스템의 대형화를 억제할 수 있다.

(2) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 기액 분리기 형성부는, 상기 기액 분리기에의 상기 오프 가스의 유입구를 형성하는 유입구 형성부와; 상기 기액 분리기로부터의 상기 오프 가스의 배출구를 형성하는 배출구 형성부; 를 갖고, 상기 커버 부재는, 상기 저류부에 저류된 물을 배출하는 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부를 가져도 된다. 이 형태의 기액 분리기에 의하면, 유입구 형성부와 배출구 형성부를 모두 기액 분리기 형성부가 갖고, 또한 커버 부재의 제2 내벽부는 커버 부재의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있으므로, 저류부의 내부에서의 오프 가스의 흐름을 대략 U자 형상의 흐름으로 할 수 있다. 이 때문에, 유로의 연장 길이를 크게 할 수 있어, 오프 가스로부터 물을 분리하는 기회를 보다 많게 할 수 있다.

(3) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 배수 유로의 단부에는, 상기 제2 내벽부의 저면의 근방에 배치되어 상기 저류부의 내측에 노출되어 있는 배수구가 형성되어 있고, 상기 커버 부재는, 또한, 상기 기액 분리기가 적재된 상태에서 상기 저면으로부터 상방으로 돌출되어, 상기 커버 부재에 있어서의 상기 유입구에 대향하는 위치와 상기 배수구와의 사이에 배치되어 있는 돌출부와; 상기 유입구에 대향함과 함께 상기 돌출부와 접해서 배치되고, 상기 기액 분리기가 적재된 상태에서 상기 커버 부재로부터 상기 기액 분리기 형성부를 향하는 제1 방향을 따라서 점차 하방으로 경사지는 경사면; 을 갖고, 상기 돌출부에 있어서의 상기 제1 방향의 단부면은, 상기 커버 부재 전체에 있어서의 상기 제1 방향의 단부면보다도, 상기 제1 방향과는 반대 방향으로 오프셋되어 있어도 된다. 이 형태의 기액 분리기에 의하면, 커버 부재에 있어서의 유입구에 대향하는 위치와 배수구와의 사이에 돌출부가 배치되어 있으므로, 유입구로부터 유입된 오프 가스가 직선적으로 배수구를 향하는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 배수구 근방에 저류되어 있는 물에 오프 가스가 부딪쳐서, 물이 비산되어 배출구에 유입되는 것을 억제할 수 있으므로, 오프 가스로부터의 물의 분리 효율을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 돌출부가 배치되어 있기 때문에, 저류부에 저류된 물이 저류부 내를 유동하는 오프 가스에 의해 말려 올라가 오프 가스의 유입구를 향하는(복귀되는) 것을 억제할 수 있다. 또한, 돌기부에 있어서의 제1 방향의 단부면이, 커버부 전체에 있어서의 제1 방향의 단부면보다도, 제1 방향과는 반대 방향으로 오프셋되어 있으므로, 돌기부에 있어서의 제1 방향의 단부면과 기액 분리기 형성부와의 사이에 간극을 형성할 수 있다. 이 때문에, 돌기부에 접해서 배치되어 있는 경사면을 흘러내리는 물을, 이러한 간극을 통해서 배수구로 유도할 수 있다. 따라서, 저류부 내에서의 물의 체류를 억제할 수 있다.

(4) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 저면 중, 상기 돌출부에 있어서의 상기 제1 방향의 단부면과 접하는 부분은, 상기 기액 분리기가 적재된 상태에서 상기 배수구를 향해서 하방으로 경사져 있어도 된다. 이 형태의 기액 분리기에 의하면, 커버 부재의 저면 중, 돌기부에 있어서의 제1 방향의 단부면과 접하는 부분이, 배수로를 향해서 하방으로 경사져 있으므로, 이러한 부분에서 물이 배수구를 향하는 것을 촉진할 수 있다.

(5) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 저면에서의 최하점은, 상기 돌출부와 상기 배수구의 사이에 배치되고, 상기 돌출부와 상기 최하점의 사이의 상기 저면을 따른 길이는, 상기 제2 내벽부에 있어서 상기 최하점을 사이에 두고 상기 돌출부와 반대측에 위치하는 부분과 상기 최하점과의 사이의 길이보다도 짧아도 된다. 이 형태의 기액 분리기에 의하면, 기액 분리기가 제1 방향과 수직인 방향으로 기운 경우에, 돌출부와 최하점과의 사이의 길이를, 제2 내벽부에서 최하점을 사이에 두고 돌출부와 반대측에 위치하는 부분과 최하점과의 사이의 길이보다도 길게 하는 구성에 비해, 저류부에 저류된 물의 액면을 배수구에 근접시킬 수 있다. 이 때문에, 저류된 물을 배수구로부터 배출하는 것을 촉진할 수 있다.

(6) 상기 형태의 기액 분리기에 있어서, 상기 커버 부재는, 상기 저류부에 저류된 물을 배출하는 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부를 갖고, 상기 커버 부재는, 상기 배수 유로와 연통하는 연통 유로와, 상기 연통 유로에 있어서의 물의 유통을 제어하는 밸브를 갖는 밸브 장치가 장착되도록 구성되고, 상기 커버 부재에 상기 밸브 장치가 장착되고, 또한 상기 기액 분리기가 적재된 상태에서, 상기 배수 유로의 저면의 연직 방향을 따른 위치는, 상기 연통 유로의 저면의 연직 방향을 따른 위치와 동일하거나 또는 보다 상방이어도 된다. 이 형태의 기액 분리기에 의하면, 배수 유로의 저면의 연직 방향을 따른 위치는, 연통 유로의 저면의 연직 방향을 따른 위치와 동일하거나 또는 보다 상방이기 때문에, 배수 유로에 물이 체류하는 것을 억제할 수 있어, 물의 배출을 원활하게 행할 수 있다. 이 때문에, 배수 유로에 체류하고 있는 물이 밸브에 부착되어 동결해서 밸브가 개방되지 않게 되는 것이나, 이러한 저류된 물이 불연속으로 배출되는 것에 기인해서 귀에 거슬리는 소리가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

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

본 발명의 특징, 이점 및 예시적인 실시예들의 기술 및 산업의 중요성을, 동일한 구성 요소에 대하여 동일한 부호를 부여하는 이하의 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 기액 분리기를 적용한 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 기액 분리기의 외관 구성을 도시하는 평면도이다.
도 3은 기액 분리기의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4는 기액 분리기 형성부의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 5는 기액 분리기 형성부의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 6은 도 4에 도시하는 기액 분리기 형성부의 VI-VI 단면을 도시하는 단면도이다.
도 7의 a, b는, 기액 분리기 내(저류부 내)에 저류된 물과 포위부와의 위치 관계를 도시하는 설명도이다.
도 8은 커버 부재의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 9는 커버 부재의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 10의 a, b는, 기액 분리기 내(저류부 내)에서의 저류된 물의 배치를 도시하는 설명도이다.
도 11의 a, b, c는, 기액 분리기와 밸브 장치와의 접속 부분의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 12의 a, b는, 변형예에서의 기액 분리기와 밸브 장치와의 접속 부분을 확대해서 도시하는 설명도이다.

시스템 구성: 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 기액 분리기를 적용한 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시하는 블록도이다. 본 실시 형태에서, 연료 전지 시스템(5)은, 구동용 전원을 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 통해서 냉각 매체를 순환시키기 위한 구성은, 설명의 편의상 생략되어 있다.

연료 전지(7)는, 복수의 단셀이 적층 방향(SD)으로 적층된 구조를 갖는 셀 스택(90)과, 셀 스택(90)의 적층 방향(SD)의 양 단부면에 접하는 한 쌍의 터미널 플레이트(82, 83)와, 터미널 플레이트(82)에 대하여 적층 방향(SD)의 외측에 배치되어 있는 제1 엔드 플레이트(80)와, 터미널 플레이트(83)에 대하여 적층 방향(SD)의 외측에 배치되어 있는 제2 엔드 플레이트(81)를 구비한다. 셀 스택(90)을 구성하는 각 단셀은, 고체 고분자 전해질막을 사이에 두고 설치되는 애노드측 촉매 전극층에 공급되는 연료 가스(수소)와, 캐소드측 촉매 전극층에 공급되는 산화제 가스(공기에 포함되는 산소)와의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생한다. 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 카본페이퍼나 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(SD)을 따라 형성되어 있다. 2개의 터미널 플레이트(82, 83)는, 연료 전지(7)에 있어서의 종합 전극으로서 기능하는 판상의 부재이다. 제1 엔드 플레이트(80)는, 두께 방향이 적층 방향(SD)과 일치하는 대략 판상의 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 이들의 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(SD)과 일치하는 대략 판상의 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, 제1 엔드 플레이트(80)와는 달리, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각 매체의 공급 및 배출을 위한 유로를 제공하는 기능 및 기액 분리기(10)의 일부를 구성하는 기능은 갖고 있지 않다.

기액 분리기(10)는, 셀 스택(90) 내의 연료 가스 배출용 매니폴드와 접속되고, 이러한 매니폴드로부터 배출되는 오프 가스에 포함되는 물을 분리해서 배출함과 함께, 물이 분리된 후의 가스(연료 가스)를 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 있고, 제1 엔드 플레이트(80)에 있어서의 적층 방향(SD)의 외측의 단부면(이하, 「커버 대향면」이라고 함)에서 개구되고, 제1 엔드 플레이트(80)의 두께 방향, 보다 구체적으로는, 적층 방향(SD)을 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(SD)을 따라 기액 분리기 형성부(12)로부터 커버 부재(11)를 향하는 방향으로 오목 형상의 외관 형상을 갖는다. 또한, 기액 분리기(10)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.

수소 탱크(20)는, 고압 수소를 저장하고 있고, 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 있고, 기액 분리기(10)로부터 배출된 연료 가스(물이 분리된 후의 연료 가스)를 연료 가스 공급로(61)에 보낸다. 차단 밸브(51)는, 수소 탱크(20)에 있어서의 연료 가스의 배출구 근방에 배치되고, 수소 탱크(20)로부터의 수소 가스의 공급의 실행과 정지를 전환한다. 인젝터(52)는, 연료 가스 공급로(61)에 배치되고, 연료 전지(7)에의 수소 가스의 공급량(유량) 및 압력을 조정한다. 배기 배수 밸브(53)는, 연료 가스 배출로(63)에 배치되어 있고, 기액 분리기(10)로부터의 물 및 오프 가스의 배출의 실행과 정지를 전환한다. 또한, 배기 배수 밸브(53)의 개폐는 도시하지 않은 제어부에 의해 제어된다. 예를 들어, 배기 배수 밸브(53)는, 운전 조건(연료 전지 자동차의 차속 및 액셀러레이터 페달의 답입량 등)에 따라, 미리 정해진 간격으로 정기적으로 개폐된다. 삼방 밸브(54)는, 산화제 가스 공급로(71)에 배치되어 있고, 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 있고, 연료 전지(7)에 있어서의 캐소드 배출측의 압력(소위 배압)을 조정한다.

연료 전지 시스템(5)에 있어서의 연료 가스의 유통 형태에 대해서 설명한다. 수소 탱크(20)로부터 공급되는 수소 가스는 연료 가스 공급로(61)를 통해서 연료 전지(7)에 공급된다. 연료 전지(7)로부터 배출되는 오프 가스(애노드측 오프 가스)는 기액 분리기(10)에 공급되고, 오프 가스에 포함되는 물의 적어도 일부가 분리된다. 물이 분리된 후의 오프 가스(즉, 연료 가스)는, 연료 가스 순환로(62) 및 순환 펌프(40)를 통해서 연료 가스 공급로(61)로 되돌려져, 다시 연료 전지(7)에 공급된다. 또한, 기액 분리기(10)로부터는, 오프 가스로부터 분리된 물 외에, 기액 분리기(10)에 공급되는 오프 가스 중 일부의 오프 가스가 배기 배수 밸브(53)를 통해서 연료 가스 배출로(63)에 배출된다. 연료 가스 배출로(63)는 산화제 가스 배출로(72)와 접속되어 있고, 연료 가스 배출로(63)에 배출된 물 및 애노드측 오프 가스는, 연료 전지(7)로부터 배출되는 물 및 캐소드측 오프 가스와 함께 산화제 가스 배출로(72)를 통해서 대기에 배출된다. 연료 가스 배출로(63)는, 대기 개방되어 있는 산화제 가스 배출로(72)와 연통하고 있는 것에 반해, 기액 분리기(10)의 내부에는, 대기압보다도 높은 배압이 가해져 있기 때문에, 배기 배수 밸브(53)를 사이에 두고 기압 차가 존재한다. 따라서, 배기 배수 밸브(53)가 열린 경우에, 상술한 압력차에 의해, 기액 분리기(10)로부터 연료 가스 배출로(63)에 오프 가스가 배출된다.

연료 전지 시스템(5)에 있어서의 산화제 가스의 유통 형태에 대해서 설명한다. 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공기(압축 공기)는, 산화제 가스 공급로(71)를 통해서 연료 전지(7)에 공급된다. 이때, 삼방 밸브(54)의 개방도를 조정함으로써 연료 전지(7)에의 공급량을 조정할 수 있다. 연료 전지(7)로부터 배출되는 오프 가스(캐소드측 오프 가스) 및 물은, 압력 조정 밸브(55)를 통해서 산화제 가스 배출로(72)에 배출된다. 산화제 가스 배출로(72)는, 상술한 바와 같이 연료 가스 배출로(63)와 접속되어 있고, 또한 바이패스 유로(73)와도 접속되어 있다. 따라서, 연료 전지(7)로부터 배출된 캐소드측 오프 가스는, 연료 가스 배출로(63)를 통해서 배출되는 애노드측 오프 가스 및 물과, 바이패스 유로(73)를 통해서 배출되는 공기와 함께 대기에 배출된다.

또한, 상술한 배기 배수 밸브(53)와 마찬가지로, 공기 압축기(30), 순환 펌프(40) 및 기타 각 밸브의 동작은, 도시하지 않은 제어부에 의해 제어된다. 이 제어부는, 예를 들어 제어용 프로그램이 기억되어 있는 ROM(Read Only Memory)과, 이러한 ROM을 판독해서 실행하는 CPU(Central Processing Unit)와, CPU의 워크에어리어로서 이용되는 RAM(Random Access Memory)을 갖는다.

도 2는, 기액 분리기(10)의 외관 구성을 도시하는 평면도이다. 도 3은, 기액 분리기(10)의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 2에서는, 기액 분리기(10)를 제1 엔드 플레이트(80)로부터 터미널 플레이트(82) 및 셀 스택(90)을 향하는 방향에서 본 경우의 평면도를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 기액 분리기(10)의 일부는 제1 엔드 플레이트(80)에 형성되어 있으므로, 도 2, 3에서는, 제1 엔드 플레이트(80)의 일부도 도시되어 있다. 또한, 도 2에서는, 기액 분리기(10)에 접속되어 있는 밸브 장치(500)도 나타나 있다. 도 3은, 도 2에 도시하는 III-III 단면을 나타내고 있다. 이후의 도면에서는, 특별히 언급하지 않는 한, 연료 전지 시스템(5)이 탑재된 연료 전지 자동차가 수평면에 배치되어 있는 상태에서의 연료 전지 시스템(5)(기액 분리기(10))의 각 구성 요소를 나타낸다. 또한, 이후의 도면에서는, X축 및 Y축은 수평면과 평행하고, Z축은 연직 방향과 평행하다. 또한, +Z 방향은 연직 상방을 나타내고, -Z 방향은 연직 하방을 나타낸다. 또한, +X 방향은 연료 전지 자동차의 프론트 방향을 나타내고, -X 방향은 연료 전지 자동차의 리어 방향을 나타낸다. 또한, 본 실시 형태에서는, 적층 방향(SD)은 Y축과 평행하다.

도 2에 도시한 바와 같이, 커버 부재(11)는, 제1 엔드 플레이트(80)의 커버 대향면(S80)에 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 구동부를 갖고 있다. 또한, 커버 부재(11)와 밸브 장치(500)와의 접속 부분의 상세에 대해서는 후술한다. 커버 부재(11)의 평면에서 본 형상은, X축 방향이 길이 방향이 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 갖고, 제1 엔드 플레이트(80)의 두께 방향(Y축 방향)으로 연장되는 가스 공급로(210)가 형성되어 있다. 제1 내벽부(202)는, 커버 대향면(S80)에 형성된 개구와 접속하고, 제1 엔드 플레이트(80)의 두께 방향(Y축 방향)으로 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 찌부러진 대략 구상의 외관 형상을 갖고, 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 달하고 있다. 또한, 가스 공급로(210)의 +Y 방향의 단부는, 저류부(13)의 내부 공간과 연통하고 있다. 가스 공급로(210)는, 터미널 플레이트(82)를 통해서 셀 스택(90)으로부터 배출되는 애노드측 오프 가스를 저류부(13)에 유도한다.

커버 부재(11)에 있어서, 제1 엔드 플레이트(80)의 커버 대향면(S80)과 대향하는 면(이하, 「형성부 대향면」이라고 함)(S11)에는, 개구가 형성되어 있다. 커버 부재(11)는, 이러한 개구와 접속해서 커버 부재(11)의 두께 방향(Y축 방향)으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부(160)를 구비한다. 커버 부재(11)의 형성부 대향면(S11)에 형성되어 있는 개구의 형상 및 크기는, 기액 분리기 형성부(12)의 커버 대향면(S80)에 형성된 개구의 형상 및 크기와 동일하다. 그리고, 이들 2개의 개구끼리 대향하도록 커버 부재(11)가 배치됨으로써, 제1 내벽부(202)와 제2 내벽부(160)는 접속되어, 상술한 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(S11)보다도 +Y 방향으로 오프셋되어 있다. 이 때문에, 돌출부(110)의 -Y 방향의 단부면에 대하여 -Y 방향으로 인접하는 부분에는 간극(190)이 형성되어 있다. 또한, 돌출부(110) 및 간극(190)의 상세에 대해서는 후술한다. 또한, 커버 부재(11)는, 제2 내벽부(160)(저류부(13))의 저면의 일부에 경사면(S101)을 갖는다. 이러한 경사면(S101)은, 커버 부재(11)로부터 기액 분리기 형성부(12)를 향하는 방향(-Y 방향)을 따라 점차 하방으로 경사져 있다.

도 4는, 기액 분리기 형성부(12)의 구성을 도시하는 평면도이다. 도 5는, 기액 분리기 형성부(12)의 구성을 도시하는 사시도이다. 도 4에서는, 도 2에 도시하는 상태로부터 커버 부재(11)를 제거하여, 기액 분리기 형성부(12)가 노출된 상태를 나타내고 있다.

기액 분리기 형성부(12)는, 상술한 제1 내벽부(202) 외에, 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 있고, 가스 공급로(210)를 형성한다. 구체적으로는, 가스 공급로 형성부(211)는, Y축 방향(적층 방향(SD))과 평행하게 연장되는 단면이 원형인 내벽을 갖고, 이러한 내벽에 의해 가스 공급로(210)를 형성한다. 또한, 가스 공급로 형성부(211)의 +Y 방향의 단부는, 저류부(13)에의 가스 유입구에 상당한다. 도 5에서 파선의 화살표로 도시한 바와 같이, 가스 유입구로부터 유입된 오프 가스는, 커버 부재(11)를 향한다. 가스 공급로 형성부(211)는, 본 발명의 유입구 형성부에 상당한다.

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 갖고, 또한 Y축과 평행하게 연장되는 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 향해서 돌출되어, Y-Z 평면과 대략 평행하게 배치되어 있다. 제2 벽부(223)는, 제1 벽부(222)에 대하여 +X 방향으로 이격된 위치에서, 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 따라서 점차 하방을 향하도록 경사져 있다. 상술한 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 방향으로 규제한다. 오프 가스 배출구(220)는, 도 4, 5에 도시한 바와 같이, 배출 유로(225)에 있어서의 -Y 방향의 끝 부분과, 제2 벽부(223)의 내측 부분과의 경계 부분에 형성되어 있다.

도 6은, 도 4에 도시하는 기액 분리기 형성부(12)의 VI-VI 단면을 도시하는 단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면(S221)은, 기액 분리기 형성부(12) 전체로서의 +Y 방향의 단부면인 커버 대향면(S80)보다도, -Y 방향으로 거리(d1)만큼 오프셋되어 있다. 환언하면, 포위부(221)의 단부면(S221)은, 커버 대향면(S80)으로부터 커버 부재(11)측으로 돌출되어 있지 않다. 이와 같이, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면(S221)을, 커버 대향면(S80)보다도 -Y 방향으로 오프셋시킴으로써, 커버 부재(11)측에 저류된 물이 배출 유로(225) 내에 침입하는 것을 억제하고 있다.

도 4, 5에 도시한 바와 같이, 제1 내벽부(202) 중 저면(-Z 방향으로 배치되어 있는 면)은, 제1면(S23)과, 제2면(S24)을 갖는다. 이들 2개의 면(S23, S24)은, 모두 커버 부재(11)의 저면(제2 내벽부(160) 중 저면)과 접한다. 제1면(S23)은, 제2면(S24)의 -X 방향에 위치해서 제2면(S24)과 접속하고 있다. 제1면(S23)은, 포위부(221)의 연직 하방에 위치한다. 제1면(S23)은, +X 방향을 따라서 점차 하방으로 경사져 있다. 이에 반해, 제2면(S24)은, +X 방향을 따라서 점차 상방으로 경사져 있다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1면(S23) 및 제2면(S24)의 -Y 방향의 단면 형상은, 대략 V자형으로 되어 있다. 그리고, 제1면(S23)과 제2면(S24)의 접속 부분(선상의 부분)은, 기액 분리기(10)가 적재된 상태에서 기액 분리기 형성부(12)에 있어서의 최하점(p21)을 포함한다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 제1면(S23)과 포위부(221)의 제3 벽부(224)를 대략 평행해지도록 구성하고 있다. 또한, 「대략 평행」이란, 제1면(S23)을 연장시켜서 얻어지는 면과, 제3 벽부(224)를 연장시켜서 얻어지는 면과의 사이의 각도가, 0도 이상 또한 20도 이하의 범위인 것을 의미한다. 또한, 이러한 범위의 상한은, 20도에 한하지 않고 90도보다도 작은 임의의 값으로 해도 된다. 이와 같이, 제1면(S23)과 포위부(221)의 제3 벽부(224)를 대략 평행으로 하는 이유에 대해서, 도 7의 a, b를 사용해서 설명한다.

도 7의 a, b는, 기액 분리기(10) 내(저류부(13) 내)에 저류된 물과, 포위부(221)와의 위치 관계를 도시하는 설명도이다. 도 7의 a는, 연료 전지 자동차가 수평면을 주행하고 있을 때의 기액 분리기 형성부(12)의 내부 상태를 나타내고, 도 7의 b는, 연료 전지 자동차가 오르막(상승)을 주행하고 있을 때의 기액 분리기 형성부(12)의 내부의 상태를 나타내고 있다.

도 7의 a에 도시한 바와 같이, 기액 분리기 형성부(12)의 저부에는, 오프 가스로부터 분리된 물(W1)이 저류되어 있다. 이때, 액면(WS1)의 위치는, 포위부(221)의 하단부(제2 벽부(223)와 제3 벽부(224)의 교차 부분)보다도 낮다.

이렇게 물이 저류된 상태에서, 연료 전지 자동차가 오르막(상승)을 주행하면, 기액 분리기 형성부(12)의 +X 방향의 단부가 -X 방향의 단부보다도 연직 상방에 위치하도록, 기액 분리기(10)가 배치되게 된다. 이때, 제1면(S23)은, 도 7의 a의 상태에 비해 수평에 가까운 상태가 되고, 기액 분리기 형성부(12)의 저부의 물(W1)의 대부분은, 제1면(S23) 상에 위치하게 된다. 여기서, 제1면(S23)은 제3 벽부(224)와 대략 평행하기 때문에, 물(W1)의 액면(WS2)은, 제3 벽부(224)와 대략 평행이 된다. 이 때문에, 제3 벽부(224)와 액면(WS2)의 사이의 간극(G1)의 Z 방향의 길이는, 어느 위치에 있어서도 거의 동등하다. 따라서, 액면(WS2)이 제3 벽부(224)에 접하여, 물(W1)이 배출 유로(225)로부터 오프 가스 배출구(220)에 흡입되는 것이 억제된다.

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

커버 부재(11)는, 상술한 제2 내벽부(160), 돌출부(110) 및 경사면(S101) 외에, 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)와의 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. 후육부(111)의 -Y 방향의 단부면(S110)은, 커버 부재(11) 전체로서의 -Y 방향의 단부면인 형성부 대향면(S11)보다도 +Y 방향으로 거리(d2)만큼 오프셋되어 있다. 박육부(112)는, 박판 형상의 외관 형상을 갖고, 후육부(111)에 대하여 +X 방향에 위치한다. 박육부(112)의 +Z 방향의 면은, 후육부(111)의 +Z 방향의 단부면과 일체화되어서 1개의 면(천장면)을 형성하고 있다. 박육부(112)의 하단부(-Z 방향의 단부면)는 제2 내벽부(160)의 저면에 접하고 있지 않다. 따라서, 박육부(112)는, 후육부(111)에 지지되어 있다. 후육부(111) 및 박육부(112)의 천장면은, 제2 내벽부(160)에 접하고 있지 않다. 따라서, 돌출부(110)와 제2 내벽부(160)의 천장면과의 사이에는 공극이 형성되어 있다.

제2 내벽부(160) 중 저면은, 제3면(S13)과, 제4면(S14)을 갖는다. 제3면(S13)은, 상술한 기액 분리기 형성부(12)의 제1면(S23)과 접해서 1개의 면을 형성한다. 마찬가지로, 제4면(S14)은, 상술한 기액 분리기 형성부(12)의 제2면(S24)과 접해서 1개의 면을 형성한다. 따라서, 제3면(S13) 및 제4면(S14)의 +Y 방향의 단면 형상은, 제1면(S23) 및 제2면(S24)의 -Y 방향의 단면 형상과 마찬가지로, 대략 V자형으로 되어 있다. 그리고, 제3면(S13) 및 제4면(S14)과의 접속 부분(선상의 부분)은, 기액 분리기(10)가 적재된 상태에서 커버 부재(11)에 있어서의 최하점(p11)을 포함한다. 이 최하점(p11)은, 상술한 기액 분리기 형성부(12)의 최하점(p21)과 Y축 방향에 대응한다. 상술한 돌출부(110)는, 제3면(S13)에 접해서 배치되어 있다.

경사면(S101)은, 돌출부(110)의 -X 방향으로 배치되어, 돌출부(110)의 하단부에 접하고 있다. 경사면(S101)은, 기액 분리기 형성부(12)에 형성되어 있는 가스 유입구에 대향하고 있다. 상술한 바와 같이, 경사면(S101)은, 커버 부재(11)로부터 기액 분리기 형성부(12)를 향하는 방향(-Y 방향)을 따라 점차 하방으로 경사져 있다. 환언하면, 기액 분리기 형성부(12)로부터 커버 부재(11)를 향하는 방향(+Y 방향)을 따라 점차 상방으로 경사져 있다. 경사면(S101)의 하단부, 즉, -Y 방향의 단부는, 도 3에 도시하는 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 저면의 근방에 위치하고, 저류부(13)의 내부에 노출되어 있다. 또한, 상술한 배수 유로의 상세 구성에 대해서는 후술한다. 저류부(13) 내에 저류된 물은, 배수구(121)로부터 배수 유로에 배출된다.

저류부(13)에 있어서의 오프 가스의 흐름에 대해서, 도 8을 사용해서 설명한다. 가스 유입구로부터 저류부(13)에 유입된 오프 가스 중 대부분의 오프 가스는, 경사면(S101)에 부딪쳐 경사면(S101)을 따라 상승하고, 제2 내벽부(160)에서의 +Y 방향의 벽(S102)과, +Z 방향의 벽(천장면)(S103)과 돌출부(110)의 상면에 둘러싸인 영역을, 대략 +X 방향을 향한다. 돌출부(110)가 존재하기 때문에, 경사면(S101)을 따라 상승한 오프 가스가 저류부(13)의 저면을 향하는(-Z 방향을 향하는) 것이 억제된다. 돌출부(110)의 상면을 통과한 오프 가스 중 대부분의 오프 가스는, 기액 분리기 형성부(12)를 향하여, 배출 유로(225)를 통해서 오프 가스 배출구(220)로부터 배출된다. 돌출부(110)의 상면을 통과한 오프 가스 중 나머지 오프 가스는, 배수구(121)로부터 물과 함께 배수 유로에 배출된다. 기액 분리기 형성부(12)의 가스 유입구로부터 저류부(13)에 유입된 오프 가스 중 극히 약간의 오프 가스는, 경사면(S101)을 따라 하강하여, 도 3에 도시하는 간극(190)을 +X 방향을 향해서, 오프 가스 배출구(220) 또는 배수구(121)로부터 배출된다.

상술한 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 떨어져 내려, 각 벽면을 하방으로 흐른다. 예를 들어, 경사면(S101)에서의 액체인 물은, 경사면(S101)을 따라 하방으로 흐른다. 여기서, 경사면(S101)의 하단부는 간극(190)의 하단부와 접속하고 있기 때문에, 또한 간극(190)의 연직 하방에 위치하는 제3면(S13)은 +X 방향을 따라서 하방으로 경사져 있기 때문에, 경사면(S101)을 하강한 물은, 간극(190)을 통해서 +X 방향으로 이동해서 배수구(121)를 향하게 된다. 또한, 제2 내벽부(160) 중, 경사면(S101)과는 상이한 벽에서 떨어져 내린 물은, 각 벽을 하방으로 흘러서 저류부(13)의 저부에 저류되고, 배수구(121)로부터 배수 유로에 배출된다.

여기서, 배수구(121)는 커버 부재(11)에 형성되어 있는 것에 반해, 저류부(13)의 오프 가스 배출구(220)는 기액 분리기 형성부(12)에 형성되어 있다. 뿐만 아니라, 배수구(121)는 저류부(13)의 저부에 배치되어 있는 것에 반해, 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)의 사이의 거리를 비교적 길게 해서, 배수구(121) 근방에 저류된 물이 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제한다. 또한, 돌출부(110)를 형성함으로써, 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 부딪쳐서, 물이 비산되어 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제한다.

또한, 저류부(13)에 있어서의 가스 유입구와 오프 가스 배출구(220)를 모두 기액 분리기 형성부(12)측에 형성함과 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) 내에서의 오프 가스의 흐름을 대략 U자 형상의 흐름이 되도록 제어하고 있다. 상술한 대략 U자 형상의 흐름이란, 구체적으로는, 오프 가스가, 가스 유입구로부터 커버 부재(11)를 향하여, 저류부(13)의 벽을 부딪치면서 대략 +X 방향으로 이동하고, 커버 부재(11)로부터 기액 분리기 형성부(12)를 향해서 이동하여 오프 가스 배출구(220)로부터 배출되는 흐름을 의미한다. 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 저류부(13) 내에서의 오프 가스의 흐름을 대략 U자 형상의 흐름으로 함으로써, 저류부(13) 내에서의 오프 가스의 유로의 연장 길이를 비교적 크게 해서 오프 가스로부터 물을 분리하는 기회를 보다 많게 하고 있다.

도 10의 a, b는, 기액 분리기(10) 내(저류부(13) 내)에서의 저류된 물의 배치를 도시하는 설명도이다. 도 10의 a는, 연료 전지 자동차가 수평면을 주행하고 있을 때의 커버 부재(11)의 내부의 상태를 나타내고, 도 10의 b는, 연료 전지 자동차가 오르막(상승)을 주행하고 있을 때의 커버 부재(11)의 내부의 상태를 나타내고 있다.

도 10의 a에 도시한 바와 같이, 커버 부재(11)의 저부에는, 오프 가스로부터 분리된 물(W2)이 저류되어 있다. 이때, 물(W2)의 액면(WS3)은, 배수구(121)의 근방에 위치하고 있다. 이 때문에, 물(W2)은 배수구(121)로부터 배출되기 쉽다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 돌출부(110)의 +X 방향의 단부면(S111)과, 최하점(p11)과의 사이의 길이(L1)를 짧게 설정하고 있다. 구체적으로는, 저류부(13)(제2 내벽부(160))에서의 +X 방향의 단부면(S161)과 최하점(p11)과의 사이의 길이(L2)에 비해, 길이(L1)를 짧게 설정하고 있다. 이 때문에, 도 10의 b에 도시한 바와 같이, 연료 전지 자동차가 오르막(상승)을 주행해서 물(W2)이 돌출부(110)측으로 이동한 경우에, 물(W2)의 액면(WS4)의 높이(연직 방향을 따른 위치)를, 길이(L1)가 보다 긴 구성에 비해, 보다 상방에 위치시킬 수 있다. 그 때문에, 길이(L1)가 보다 긴 구성에 비해, 액면(WS4)을 배수구(121)로부터 비교적 가까운 위치에 배치시킬 수 있어, 물(W2)이 배수구(121)로부터 배출되지 않는 것을 억제할 수 있다.

도 11의 a, b, c는, 기액 분리기(10)와 밸브 장치(500)의 접속 부분의 구성을 도시하는 설명도이다. 도 11의 a는, 도 3에서의 XI-XI 단면을 나타내고, 도 11의 b는, 도 11의 a에서의 영역(Ar1)을 확대해서 나타내고, 도 11의 c는, 도 11의 b에서의 영역(Ar2)을 확대해서 나타낸다. 또한, 도 11의 a에서는, 밸브 장치(500)의 +X 방향의 일부의 상세 구조에 대해서는 생략하고 있다.

도 11의 a에 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 11의 b에 도시한 바와 같이, 배수 유로(122)의 연직 하방의 면은, 3개의 면(제1 저면(151), 제2 저면(152) 및 제3 저면(153))을 갖는다. 제1 저면(151), 제2 저면(152) 및 제3 저면(153)은, 이 순서대로, 배수구(121)로부터 +X 방향으로 배열하고 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 11의 b에 도시한 바와 같이, 배수 유로(122)의 저면의 연직 방향의 위치는, +X 방향을 따라서 계단 형상으로 내려가고 있다.

밸브 장치(500)는, -X 방향으로 연장되는 파이프 형상의 접속부(510)를 갖는다. 접속부(510)의 내부에는, 연통 유로(511)가 형성되어 있다. 기액 분리기(10)에 밸브 장치(500)가 장착된 상태에서, 접속부(510)는, 배수 유로(122)에 삽입되어 있다. 연통 유로(511)는, 접속부(510)의 내부를 X축 방향을 따라서 관통하는 관통 구멍으로서 형성되어 있다. 연통 유로(511)의 양단은 개방되여, -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 11의 b, c에 도시한 바와 같이, 접속부(510)의 -X 방향의 단부는, 제1 저면(151)과 제2 저면(152)을 접속하는 Z축 방향을 따른 벽면(S151)에 대하여 거리(d4)만큼 +X 방향으로 어긋난 위치에 배치되어 있다. 이것은, 밸브 장치(500) 또는 기액 분리기(10)의 제조 편차에 기인하여 접속부(510)의 -X 방향의 단부가 벽면(S151)에 부딪쳐서, 밸브 장치(500)가 정상적으로 기액 분리기(10)에 장착되지 않는 것을 억제하기 위해서이다.

여기서, 도 11의 b, c에 도시한 바와 같이, 연통 유로(511)의 연직 하방의 면(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 머무르는 것을 억제할 수 있어, 물의 배출을 원활하게 행할 수 있다. 배수 유로(122) 내에 물이 체류한 채 연료 전지 시스템(5)의 운전이 정지되고, 연료 전지 시스템(5)의 배치 환경이 매우 저온의 환경으로 된 경우, 배수 유로(122) 내에 체류하고 있는 물은 과냉각수로 될 수 있다. 이 상태에서 연료 전지 시스템(5)이 기동한 경우, 과냉각수가 배기 배수 밸브(53)를 향해서 이동해서 배기 배수 밸브(53)에서 동결할 우려가 있다. 이렇게 배기 배수 밸브(53)에서 물이 동결하면, 배기 배수 밸브(53)가 개방되지 않아 배수가 행하여지지 않게 될 우려가 있다. 뿐만 아니라, 배수 유로(122) 내에 물이 체류하고 있는 경우, 이러한 물이 불연속으로 배기 배수 밸브(53)로부터 배출되어 귀에 거슬리는 소리가 발생할 우려가 있다. 그러나, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(5)에서는, 상술한 바와 같이, 배수 유로(122)에 물이 체류하는 것을 억제할 수 있으므로, 배기 배수 밸브(53)에서 물이 동결해서 밸브가 개방되지 않는 것, 및, 귀에 거슬리는 소리가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서, 상술한 제1 엔드 플레이트(80)는, 본 발명에서의 엔드 플레이트에 상당한다. 또한, 포위부(221)는 본 발명에서의 배출구 형성부에, 경사면(S101)은 본 발명에서의 경사면에, 배기 배수 밸브(53)는 본 발명에서의 밸브에 각각 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 비해, 제1 엔드 플레이트(80)와 기액 분리기(10)의 총 설치 스페이스의 대형화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 연료 전지 시스템(5)의 대형화를 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 2개의 부재를 겹침으로써 기액 분리기(10)를 구성하므로, 돌출부(110) 및 제1면(S23)이나 제2면(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 형성함과 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) 내에서의 오프 가스의 흐름을 대략 U자 형상의 흐름이 되도록 제어할 수 있다. 이 때문에, 저류부(13) 내에서의 오프 가스의 유로의 연장 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 형성해서 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. 이 때문에, 배수구(121)와 오프 가스 배출구(220)의 사이의 거리를 비교적 길게 할 수 있어, 배수구(121) 근방에 저류된 물이 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 오프 가스로부터의 물의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 기액 분리기(10)에는, 커버 부재(11)에 돌출부(110)를 형성하고 있으므로, 가스 유입구로부터 커버 부재(11)를 향해서 공급된 오프 가스가, 직선적으로 저류부(13)의 저부를 향하는 것이 억제된다. 이 때문에, 저류부(13)의 저부에 저류된 물의 액면에 오프 가스가 직접 부딪쳐서, 물이 비산되어 오프 가스 배출구(220)에 유입되는 것을 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 돌출부(110)를 형성함으로써, 저류부(13)에 저류된 물이 저류부(13) 내를 유동하는 오프 가스에 의해 말려 올라가서 가스 유입구를 향하는(복귀되는) 것을 억제할 수 있다.

또한, 돌출부(110)(후육부(111))의 단부면(S110)을, 커버 부재(11) 전체로서의 -Y 방향의 단부면인 형성부 대향면(S11)보다도 +Y 방향으로 거리(d2)만큼 오프셋시킴으로써 간극(190)을 형성하고, 또한, 이러한 간극(190)의 저면과, 가스 유입구와 대향하는 위치에서의 경사면(S101)의 하단부를 접속하고 있다. 이 때문에, 경사면(S101)을 흘러내리는 액체의 물을, 간극(190)을 통해서 배수구(121)를 향하게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 간극(190)의 저면(제3면(S13))을 +X 방향을 따라서 하방으로 경사지게 형성하고 있으므로, 간극(190)에 있어서 물이 배수구(121)를 향하는 것을 촉진할 수 있다.

또한, 돌출부(110)의 단부면(S111)과 최하점(p11)과의 사이의 길이(L1)를, 제2 내벽부(160)에서의 +X 방향의 단부면(S161)과 최하점(p11)과의 사이의 길이(L2)에 비해 짧게 설정하고 있기 때문에, 길이(L1)를 보다 길게 한 구성에 비해, 연료 전지 자동차가 오르막(상승)을 주행하는 경우(기액 분리기(10)가 X축 방향으로 경사지는 경우)에, 저류부(13)의 저부에 저류된 물의 액면을 배수구(121)에 근접시킬 수 있다. 이 때문에, 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 억제할 수 있어, 물의 배출을 원활하게 행할 수 있다. 이 때문에, 배수 유로(122)에 체류하고 있는 물에 기인해서 배기 배수 밸브(53)가 밸브 개방되지 않는 것 및 귀에 거슬리는 소리가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면(S221)을, 기액 분리기 형성부(12) 전체로서의 +Y 방향의 단부면인 커버 대향면(S80)보다도, -Y 방향으로 거리(d1)만큼 오프셋시키고 있으므로, 커버 부재(11)측에 저류된 물이 배출 유로(225) 내에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 저류부(13)의 저면(제1면(S23) 및 제3면(S13))과 포위부(221)의 제3 벽부(224)를, 서로 대략 평행하게 형성하고 있으므로, 연료 전지 자동차가 오르막(상승)을 주행하는 경우에, 저류부(13)에 저류된 물의 액면과 포위부(221)와의 사이의 거리를 비교적 크게 할 수 있다. 이 때문에, 물이 배출 유로(225)로부터 오프 가스 배출구(220)에 흡입되는 것을 억제할 수 있다.

상기 실시 형태에서, 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 이것에 한정되지 않는다. 도 12의 a, b는, 변형예에서의 기액 분리기(10)와 밸브 장치와의 접속 부분을 확대해서 도시하는 설명도이다. 도 12의 a는, 이러한 접속 부분의 변형예에서의 제1 형태를 나타내고, 도 12의 b는, 이러한 접속 부분의 변형예에서의 제2 형태를 나타낸다.

도 12의 a의 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 형태에서도, 저류부(13)의 저부에 저류된 물이 배출될 때 배수 유로(122) 내에 머무르는 것을 억제할 수 있다.

도 12의 b의 형태에서는, 연통 유로(511)의 저면(512b)은, -X 방향의 단부가 가장 연직 상방에 위치하고, +X 방향을 따라서 하방으로 경사져 있다. 여기서, 저면(512b)의 -X 방향의 단부의 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 부분에서의 연직 방향을 따른 위치든 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.

상기 실시 형태에서는, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면(S221)이 기액 분리기 형성부(12) 전체로서의 +Y 방향의 단부면인 커버 대향면(S80)보다도 -Y 방향으로 거리(d1)만큼 오프셋되어 있는 점과, 저류부(13)의 저면(제1면(S23) 및 제3면(S13))과 포위부(221)의 제3 벽부(224)를 서로 대략 평행하게 형성하고 있는 점이 모두 실현되어 있었지만, 이들 두 가지 점 중, 어느 한 점만을 실현해도 된다. 이러한 구성에서도, 오프 가스로부터 분리된 물이 배출 유로(225)로부터 오프 가스 배출구(220)에 흡입되는 것을 억제할 수 있다.

B3. 변형예 3: 상기 실시 형태에서의 기액 분리기(10)의 구성은, 어디까지나 일례이며, 다양한 변경이 가능하다. 예를 들어, 기액 분리기(10)에의 오프 가스의 유입구 및 오프 가스 배출구(220)는, 모두 기액 분리기 형성부(12)에 형성되어 있었지만, 이들 중 적어도 한쪽을, 커버 부재(11)에 형성해도 된다. 또한, 배수 유로 형성부(120)는, 커버 부재(11)(제2 내벽부(160))의 저부에 형성되어 있었지만, 기액 분리기 형성부(12)(제1 내벽부(202))의 저부에 형성되어도 된다. 또한, 기액 분리기(10)에 있어서 돌출부(110)를 생략해도 된다. 이러한 구성에서도, 기액 분리기(10)의 일부를 제1 엔드 플레이트(80) 내에 형성하므로, 연료 전지 시스템의 대형화를 억제할 수 있다. 또한, 간극(190)의 저면에 경사를 형성하지 않아도 된다. 적어도 간극(190)이 형성되어 있음으로써, 경사면(S101)을 내려가서 경사면(S101)의 하단부에 도달한 물이, 배수구(121)를 향하는 것을 방해할 수 없다. 또한, 도 10의 a에 나타내는 길이(L1)를, 길이(L2)와 동일하거나 또는 보다 길게 해도 된다. 또한, 포위부(221)의 하방의 벽인 제3 벽부(224)는, 제1면(S23)과 대략 평행했지만, 제1면(S23)과 대략 평행하지 않아도 된다. 이 구성에서도, 포위부(221)의 +Y 방향의 단부면(S221)을, 커버 대향면(S80)보다도 -Y 방향으로 오프셋시킴으로써, 커버 부재(11)측에 저류된 물이 배출 유로(225) 내에 유입되는 것을 억제할 수 있다. 상기 실시 형태에서, 기액 분리기 형성부(12)는, 제1 엔드 플레이트(80)에 형성되어 있었지만, 제1 엔드 플레이트(80) 대신에, 제2 엔드 플레이트(81)에 형성되어도 된다. 이 구성에서는, 수소 가스의 공급계 및 배출계를, 제2 엔드 플레이트(81)측에 설치함과 함께, 제2 엔드 플레이트(81) 및 터미널 플레이트(83)에, 애노드측 반응 가스의 유통용의 매니폴드와 연통하기 위한 관통 구멍을 형성해도 된다.

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

Claims (7)

1. 적층된 복수의 단셀을 갖는 셀 스택과, 상기 셀 스택에 대하여 상기 복수의 단셀의 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트를 갖는 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리해서 배출하도록 구성된 기액 분리기에 있어서,
   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 형성부(12); 및
   상기 기액 분리기 형성부(12)의 개구를 덮어서 배치되고, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 커버 부재(11)를 구비하고,
   상기 기액 분리기 형성부(12)는, 상기 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 상기 오프 가스로부터 분리된 물이 저류되는 저류부(13)의 일부를 형성하는 제1 내벽부(202)이며, 상기 개구에 접속해서 상기 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부(202)를 갖고,
   상기 커버 부재(11)는, 상기 커버 부재(11)에 있어서의 상기 기액 분리기 형성부(12)와 대향하는 면에 형성된 개구에 접속해서 상기 커버 부재(11)의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부(160)이며, 상기 제1 내벽부(202)와 상기 적층 방향에 대향해서 배치되고, 상기 제1 내벽부(202)와 함께 상기 저류부(13)를 형성하는 제2 내벽부(160)와, 상기 저류뷰(13)에 저류된 물을 배출하는 배수 유로로서, 상기 배수 유로의 단부에, 상기 제2 내벽부(160)의 저면 근방에 배치되어 상기 저류부(13)의 내측으로 노출되어 있는 배출구가 형성된 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부(120)와, 상기 커버 부재(11)의 상기 제2 내벽부(160)에 형성된 경사면(S101)을 갖고,
   상기 경사면(S101)은 상기 커버 부재(11)로부터 상기 기액 분리기 형성부(12)를 향하는 제1 방향을 따라서 점차 하방으로 경사지는 것을 특징으로 하는, 기액 분리기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기액 분리기 형성부(12)는, 상기 기액 분리기에의 상기 오프 가스의 유입구를 형성하는 유입구 형성부(211)와, 상기 기액 분리기로부터의 상기 오프 가스의 배출구를 형성하는 배출구 형성부(221)를 갖는, 기액 분리기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 커버 부재(11)는 또한, 상기 기액 분리기가 적재된 상태에서 상기 저면으로부터 상방으로 돌출되어, 상기 커버 부재(11)에 있어서의 상기 유입구에 대향하는 위치와 배수구(121)와의 사이에 배치되어 있는 돌출부(110)를 갖고,
   상기 돌출부(110)에 있어서의 상기 제1 방향의 단부면은, 상기 커버 부재(11) 전체에 있어서의 상기 제1 방향의 단부면보다도, 상기 제1 방향과는 반대 방향으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는, 기액 분리기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 저면 중, 상기 돌출부(110)에 있어서의 상기 제1 방향의 단부면과 접하는 부분은, 상기 기액 분리기가 적재된 상태에서 상기 배수구(121)를 향해서 하방으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는, 기액 분리기.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 저면에서의 최하점은, 상기 돌출부(110)와 상기 배수구(121)와의 사이에 배치되고, 상기 돌출부(110)와 상기 최하점과의 사이의 상기 저면을 따른 길이는, 상기 제2 내벽부(160)에 있어서 상기 최하점을 사이에 두고 상기 돌출부(110)와 반대측에 위치하는 부분과 상기 최하점과의 사이의 길이보다도 짧은 것을 특징으로 하는, 기액 분리기.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 커버 부재(11)는, 상기 저류부(13)에 저류된 물을 배출하는 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부(120)를 갖고, 상기 커버 부재(11)는, 상기 배수 유로와 연통하는 연통 유로와, 상기 연통 유로에 있어서의 물의 유통을 제어하는 밸브(53)를 갖는 밸브 장치가 장착되도록 구성되고, 상기 커버 부재(11)에 상기 밸브 장치가 장착되고, 또한 상기 기액 분리기가 적재된 상태에서, 상기 배수 유로의 저면의 연직 방향을 따른 위치는, 상기 연통 유로의 저면의 연직 방향을 따른 위치와 동일하거나 또는 보다 상방인 것을 특징으로 하는, 기액 분리기.
7. 연료 전지 시스템에 있어서,
   적층된 복수의 단셀을 갖는 셀 스택과, 상기 셀 스택에 대하여 상기 복수의 단셀의 적층 방향의 외측에 배치되어 있는 엔드 플레이트를 갖는 연료 전지;
   상기 연료 전지로부터 배출된 오프 가스에 포함되는 물을 분리해서 배출하도록 구성된 기액 분리기를 구비하고,
   상기 기액 분리기는, 상기 엔드 플레이트에 형성되고, 상기 엔드 플레이트에 있어서의 상기 적층 방향의 단부면 중 상기 셀 스택과는 반대측의 단부면에 개구되어, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 기액 분리기 형성부(12)와, 상기 기액 분리기 형성부(12)의 개구를 덮어서 배치되고, 상기 기액 분리기의 일부를 구성하는 커버 부재(11)를 갖고,
   상기 기액 분리기 형성부(12)는, 상기 오프 가스의 유로로서 기능함과 함께 상기 오프 가스로부터 분리된 물이 저류되는 저류부(13)의 일부를 형성하는 제1 내벽부(202)이며, 상기 개구에 접속해서 상기 엔드 플레이트의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제1 내벽부(202)를 갖고,
   상기 커버 부재(11)는, 상기 커버 부재(11)에 있어서의 상기 기액 분리기 형성부(12)와 대향하는 면에 형성된 개구에 접속해서 상기 커버 부재(11)의 두께 방향으로 오목 형상으로 형성되어 있는 제2 내벽부(160)이며, 상기 제1 내벽부(202)와 상기 적층 방향에 대향해서 배치되고, 상기 제1 내벽부(202)와 함께 상기 저류부(13)를 형성하는 제2 내벽부(160)와, 상기 저류뷰(13)에 저류된 물을 배출하는 배수 유로로서, 상기 배수 유로의 단부에, 상기 제2 내벽부(160)의 저면 근방에 배치되어 상기 저류부(13)의 내측으로 노출되어 있는 배출구가 형성된 배수 유로를 형성하는 배수 유로 형성부(120)와, 상기 커버 부재(11)의 상기 제2 내벽부(160)에 형성된 경사면(S101)을 갖고,
   상기 경사면(S101)은 상기 커버 부재(11)로부터 상기 기액 분리기 형성부(12)를 향하는 제1 방향을 따라서 점차 하방으로 경사지는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.

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