(57)【要約】【課題】酸化剤ガス導入路から燃料電池内への過剰な液状水の導入を抑制しつつ燃料電池を迅速に暖機し且つ燃料排ガス濃度を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、酸化剤ガス導入路５０における加湿器５２よりも下流側に設けられた気液分離器５４と、燃料電池スタック１２から排出された液状水を含む燃料排ガスを気液分離器５４に導く燃料排ガス導入路４４と、を備え、気液分離器５４は、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスと燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを導く酸化剤ガス導入路と、
前記酸化剤ガス導入路に設けられた加湿器と、
前記酸化剤ガス導入路における前記加湿器よりも下流側に設けられた気液分離器と、
前記燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスを前記気液分離器に導く燃料排ガス導入路と、を備え、
前記気液分離器は、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスと前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離する、燃料電池システム。
【請求項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、略鉛直方向に沿って延在した分離面が形成された基部を含む分離器本体を有し、
前記分離器本体には、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスを前記分離器本体内に導入するための酸化剤ガス導入口が前記分離面に対向するように設けられている、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記分離器本体は、前記分離面を周回するように前記基部から突出した周壁部を有し、
前記周壁部には、前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスを前記分離器本体内に導入するための燃料排ガス入口部が設けられ、
前記分離器本体には、前記燃料排ガス入口部の開口部に対向するように燃料排ガス分離壁が設けられている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記燃料排ガス入口部は、液状水を含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように前記分離器本体に設けられている、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池システムであって、
前記分離面には、
前記周壁部の内面に付着した液状水を下方に導くための第１導水部と、
前記分離面に付着した液状水を集めて下方に導くための第２導水部と、が設けられている、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記周壁部は、円環状に延在した内面を有し、
前記第１導水部は、前記周壁部の内面との間に導水路が形成されるように前記周壁部の内面に対して隙間を空けて対向するとともに前記周壁部の周方向に沿って延在した複数の外側導水板を含み、
前記複数の外側導水板は、前記周壁部の周方向に互いに隙間を空けて配置されている、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記第２導水部は、前記複数の外側導水板の内側に設けられた複数の内側導水板を含む、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６または７に記載の燃料電池システムであって、
前記分離面には、液状水が分離された酸化剤ガスおよび燃料排ガスを導出する導出口が形成され、
前記複数の外側導水板は、少なくとも一部が前記導出口を上方から覆うように設けられている、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記第２導水部は、前記導出口を構成する縁部から前記酸化剤ガス導入口が位置する側に突出した環状導水板を含む、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記環状導水板の突出端部の内縁部には、Ｒ面が設けられている、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項５〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料排ガス分離壁の前記分離面からの高さ寸法は、前記第１導水部および前記第２導水部のそれぞれの前記分離面からの高さ寸法よりも長い、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項３〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料排ガス分離壁は、
前記燃料排ガス入口部の開口部に対向する分離壁本体と、
前記分離器本体から下方に向けて突出した突出部と、を有する、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項２〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記分離器本体には、分離された液状水を外部に排出するための排水部が設けられている、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離器は、前記加湿器に対して一体的に設けられている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池は、例えば、フッ素樹脂系などの高分子イオン交換膜からなる電解質膜を備える。このような電解質膜は、含水状態においてプロトン導電性電解質膜として機能するが、乾燥状態においては、プロトン導電性が低下して出力低下を招く。
【０００３】
そのため、例えば、特許文献１には、電解質膜が適度な湿度を維持できるように、酸化剤ガスを加湿する加湿器を酸化剤ガス導入路に設け、加湿器の出口部に気液分離器を設けた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４７４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池システムでは、燃料電池システムの低温起動時に、燃料電池から排出された燃料排ガスを酸化剤ガス導入路に導入し、カソード触媒で発熱反応を生じさせることにより、燃料電池を暖機する。加えて、燃料ガス供給部を換気する際に、燃料ガスを酸化剤ガス導入路に導入し、カソード触媒で化学反応させることにより、排気燃料ガス濃度（排気水素濃度）を抑制する。
【０００６】
しかしながら、液状水を含む燃料排ガスを酸化剤ガスと混合して燃料電池に供給すると、燃料電池内に過剰な液状水が導入される可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、酸化剤ガス導入路から燃料電池内への過剰な液状水の導入を抑制しつつ燃料電池を迅速に暖機し且つ排気燃料ガス濃度を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを導く酸化剤ガス導入路と、前記酸化剤ガス導入路に設けられた加湿器と、前記酸化剤ガス導入路における前記加湿器よりも下流側に設けられた気液分離器と、前記燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスを前記気液分離器に導く燃料排ガス導入路と、を備え、前記気液分離器は、前記加湿器で加湿された酸化剤ガスと前記燃料排ガス導入路から導かれた液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離する、燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、加湿器で加湿された酸化剤ガスと燃料電池から排出された液状水を含む燃料排ガスとの両方を気液分離器で気液分離している。そのため、酸化剤ガス導入路から燃料電池内への過剰な液状水の導入を抑制することができる。これにより、燃料排ガスと酸化剤ガスとを燃料電池のカソード触媒で発熱反応させることができるため、燃料電池を迅速に暖機し且つ燃料排ガス濃度を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】加湿器に設けられた気液分離器の一部省略縦断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った横断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った縦断面図である。
【図５】図５Ａは、気液分離器の動作を示す第１の説明図であり、図５Ｂは、気液分離器の動作を示す第２の説明図である。
【図６】図６Ａは、気液分離器の動作を示す第３の説明図であり、図６Ｂは、気液分離器の動作を示す第４の説明図である。
【図７】気液分離器内の液状水の流れを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１に示す燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車などの燃料電池車両（図示せず）に搭載される。ただし、燃料電池システム１０は、燃料電池車両を除く種々の移動体に搭載してもよいし、定置型としても用いることができる。
【００１３】
燃料電池システム１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１２、燃料ガス供給装置１３、酸化剤ガス供給装置１４および制御部１５を備える。なお、図示は省略するが、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を冷却するための冷却媒体供給装置、バッテリなどをさらに備えている。
【００１４】
燃料電池スタック１２は、燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１２は、水平方向に積層される複数の発電セル１６を備える。発電セル１６は、電解質膜・電極構造体１８を第１セパレータ２０および第２セパレータ２２で挟持して構成される。第１セパレータ２０および第２セパレータ２２は、金属セパレータまたはカーボンセパレータにより構成される。
【００１５】
電解質膜・電極構造体１８は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜２４と、固体高分子電解質膜２４を挟持するアノード電極２６およびカソード電極２８とを備える。固体高分子電解質膜２４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００１６】
第１セパレータ２０と電解質膜・電極構造体１８との間には、アノード電極２６に燃料ガスを導くための燃料ガス流路３０が設けられている。第２セパレータ２２と電解質膜・電極構造体１８との間には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３２が設けられている。
【００１７】
燃料電池スタック１２には、燃料ガス入口３４ａ、燃料ガス出口３４ｂ、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂが設けられる。燃料ガス入口３４ａは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３０の供給側に連通する。燃料ガス出口３４ｂは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３０の排出側に連通する。燃料ガス流路３０、燃料ガス入口３４ａおよび燃料ガス出口３４ｂは、アノード流路を構成する。
【００１８】
酸化剤ガス入口３６ａは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３２の供給側に連通する。酸化剤ガス出口３６ｂは、各発電セル１６を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３２の排出側に連通する。酸化剤ガス流路３２、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂは、カソード流路を構成する。
【００１９】
燃料ガス供給装置１３は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置１３は、燃料ガス供給部３８と、燃料ガス供給部３８から供給された燃料ガスを燃料ガス入口３４ａに導く燃料ガス導入路４０とを備える。燃料ガス供給部３８は、高圧の燃料ガス（高圧水素）を貯留する図示しない燃料ガスタンク（水素ガスタンク）などを含む。
【００２０】
燃料電池スタック１２の燃料ガス出口３４ｂには、燃料ガス排出路４２が連結されている。燃料ガス排出路４２は、アノード電極２６で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを燃料電池スタック１２から導出する。
【００２１】
燃料ガス排出路４２には、燃料排ガスを液状水Ｗ（図７参照）とともに酸化剤ガス供給装置１４の気液分離器５４に導く燃料排ガス導入路４４が連結されている。燃料排ガス導入路４４には、開閉弁４６が設けられている。開閉弁４６は、燃料ガス排出路４２および燃料排ガス導入路４４を互いに連通させる開放状態と燃料ガス排出路４２および燃料排ガス導入路４４の連通を遮断する閉塞状態とに切り替え可能に構成されている。
【００２２】
燃料ガス排出路４２のうち燃料排ガス導入路４４との連結部よりも下流側の部分には、燃料ガス排出路４２を開放および閉塞する開閉弁４７が設けられている。燃料ガス排出路４２のうち開閉弁４７よりも下流側に導かれた燃料排ガスは、燃料ガス供給部３８に導入して燃料電池スタック１２に循環させてもよいし、酸化剤排ガスで希釈して大気中に排出してよい。
【００２３】
酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス供給部４８と、酸化剤ガス供給部４８から供給された酸化剤ガスを酸化剤ガス入口３６ａに導く酸化剤ガス導入路５０とを備える。酸化剤ガス供給部４８としては、例えば、大気から空気を圧縮して供給するエアポンプが用いられる。
【００２４】
酸化剤ガス導入路５０には、加湿器５２と気液分離器５４とが設けられている。加湿器５２は、酸化剤ガス（供給空気）と酸化剤排ガス（排出空気）との間で液状水Ｗおよび熱を交換する。換言すれば、加湿器５２は、酸化剤排ガスにより酸化剤ガスを加湿および加熱する。気液分離器５４は、酸化剤ガス導入路５０における加湿器５２よりも下流側に設けられている。気液分離器５４は、加湿器５２によって加湿された酸化剤ガスと燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水Ｗを含んだ燃料排ガスとの両方を気液分離する。気液分離器５４の詳細な説明については後述する。
【００２５】
燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口３６ｂには、酸化剤ガス排出路５６が連結されている。酸化剤ガス排出路５６は、カソード電極２８で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、加湿器５２を介して大気中に排出する。
【００２６】
図２および図３に示すように、気液分離器５４は、加湿器５２に一体的に設けられている。気液分離器５４は、分離器本体６０、燃料排ガス入口部６２、排水部６４、導出流路部６６を備える。分離器本体６０は、縦断面が略Ｕ字状に形成されている。つまり、分離器本体６０は、略鉛直方向に沿って延在した分離面６８ａが形成された基部６８と、分離面６８ａを周回するように基部６８から加湿器５２側（矢印Ｘ１方向）に向かって突出した周壁部７０とを有する。
【００２７】
基部６８は、平板状に延在している。周壁部７０は、円環状に形成され、基部６８の外縁部に設けられている。周壁部７０の突出端には、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスを分離器本体６０内に導入するための酸化剤ガス導入口７２が形成されている。酸化剤ガス導入口７２は、分離面６８ａに対向するように分離面６８ａと直交する方向（矢印Ｘ１方向）を指向している。周壁部７０は、円環状に延在した内面７０ａを有する。
【００２８】
燃料排ガス入口部６２は、燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水Ｗを含む燃料排ガスを分離器本体６０内に導入させる。換言すれば、燃料排ガス入口部６２は、液状水Ｗを含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように分離器本体６０の下部に設けられている。燃料排ガス入口部６２は、管状に形成されている。
【００２９】
燃料排ガス入口部６２の上端部は、分離器本体６０内に突出している。燃料排ガス入口部６２の下端部には、燃料排ガス導入路４４が連結されている。燃料排ガス入口部６２の上端の開口部６２ａは、上方（斜め上方）を指向している。すなわち、酸化剤ガス導入口７２は、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａの指向する方向と交差する方向（矢印Ｘ１方向）を指向している（図２参照）。
【００３０】
図３に示すように、排水部６４は、分離器本体６０内の液状水Ｗ（図７参照）を外部に排出する。具体的には、排水部６４は、酸化剤ガス排出路５６に連結されている（図１参照）。排水部６４は、管状に形成されるとともに周壁部７０の下部（最下部）に設けられている。図３の例では、排水部６４は、燃料排ガス入口部６２の隣に配置されている。排水部６４の上端面は、周壁部７０の内面７０ａに連なっている。すなわち、排水部６４は、分離器本体６０内に突出していない。
【００３１】
図２において、分離器本体６０から酸化剤ガスおよび燃料排ガスを導出する。具体的には、導出流路部６６は、気液分離後の気体（酸化剤ガスおよび燃料排ガスが混合された混合ガス）を酸化剤ガス導入路５０における気液分離器５４の下流側に導く。導出流路部６６は、管状（筒状）に形成されるとともに基部６８のうち加湿器５２とは反対側（矢印Ｘ２方向）に設けられている。図３に示すように、分離面６８ａには、導出流路部６６の内孔に連通する導出口６６ａが形成されている。導出口６６ａは、分離面６８ａのうち上下方向の中央よりも上方且つ左右方向の中央よりも一方側（矢印Ｙ１方向）に位置している。
【００３２】
分離面６８ａには、第１導水部７４、第２導水部７６、燃料排ガス分離壁７８が設けられている。第１導水部７４は、周壁部７０の内面７０ａに付着した液状水Ｗ（図７参照）を下方に導く。第１導水部７４は、周壁部７０の内面７０ａとの間に導水路８０が形成されるように内面７０ａに対して隙間を空けて対向するとともに周壁部７０の周方向に沿って延在した複数の外側導水板８２を有する。複数の外側導水板８２は、周壁部７０の周方向に互いに隙間を空けて配置されている。外側導水板８２は、周壁部７０の周方向に沿って円弧状に延在している。
【００３３】
本実施形態では、第１導水部７４は、複数の外側導水板８２として、第１外側導水板８２ａ、第２外側導水板８２ｂ、第３外側導水板８２ｃ、第４外側導水板８２ｄおよび第５外側導水板８２ｅを有する。
【００３４】
第１外側導水板８２ａは、分離面６８ａの上端部から分離面６８ａの一方（矢印Ｙ１方向）の側縁部まで下方に向かって円弧状に延出している。第１外側導水板８２ａの上端は、導出口６６ａよりも分離面６８ａの他方（矢印Ｙ２方向）の側縁部側に位置している。第１外側導水板８２ａの下端は、導出口６６ａの下端の矢印Ｙ１方向に位置している。具体的には、第１外側導水板８２ａの下端は、分離面６８ａの上下方向の中央よりも若干上方に位置している。すなわち、第１外側導水板８２ａは、導出口６６ａを上方から覆っている。
【００３５】
第２外側導水板８２ｂは、第１外側導水板８２ａの上端よりも若干矢印Ｙ２方向にずれた位置から（分離面６８ａの上端部）から分離面６８ａの他方（矢印Ｙ２方向）の側縁部まで下方に向かって円弧状に延出している。第２外側導水板８２ｂの下端は、第１外側導水板８２ａの下端よりも下方に位置している。換言すれば、第２外側導水板８２ｂの下端は、分離面６８ａの上下方向の中央よりも若干下方に位置している。
【００３６】
第３外側導水板８２ｃは、第１外側導水板８２ａの下端よりも下方の位置から下方に向かって延出している。第４外側導水板８２ｄは、第３外側導水板８２ｃの下端よりも下方の位置から下方に向かって排水部６４の手前まで延出している。第５外側導水板８２ｅは、第２外側導水板８２ｂの下端よりも下方の位置から下方に向かって燃料排ガス入口部６２の手前まで延出している。第４外側導水板８２ｄの下端と第５外側導水板８２ｅの下端との間隔は、燃料排ガス入口部６２と排水部６４とが配設される程度の大きさに設定されている。
【００３７】
第２導水部７６は、分離面６８ａに付着した液状水Ｗ（図７参照）を集めて下方に導く。第２導水部７６は、複数の外側導水板８２の内側に設けられた複数の内側導水板８４と、導出口６６ａを構成する縁部から酸化剤ガス導入口７２が位置する側に突出した環状導水板８６とを含む。複数の内側導水板８４は、直線状に延在している。
【００３８】
本実施形態では、第２導水部７６は、複数の内側導水板８４として、第１内側導水板８４ａ、第２内側導水板８４ｂ、第３内側導水板８４ｃ、第４内側導水板８４ｄ、第５内側導水板８４ｅ、第６内側導水板８４ｆ、第７内側導水板８４ｇおよび第８内側導水板８４ｈを有する。
【００３９】
第１内側導水板８４ａは、第１外側導水板８２ａの上端から鉛直下方に向かって延出している。第１内側導水板８４ａは、導出口６６ａよりも矢印Ｙ２方向に位置している。第２内側導水板８４ｂと第３内側導水板８４ｃとは、第２外側導水板８２ｂの上端の近傍から下方に向かって矢印Ｙ１方向に若干傾斜するように延出している。第２内側導水板８４ｂと第３内側導水板８４ｃとは、互いに平行になるように設けられている。
【００４０】
第４内側導水板８４ｄは、第３外側導水板８２ｃの上端と第５外側導水板８２ｅの上端とを互いに連結する。第４内側導水板８４ｄは、矢印Ｙ２方向に向かって下方に傾斜している。第５内側導水板８４ｅは、第４内側導水板８４ｄの途中部位から下方に向けて延出している。
【００４１】
第６内側導水板８４ｆは、第４外側導水板８２ｄの上端から上方に向かって矢印Ｙ２方向に傾斜するように延出している。第７内側導水板８４ｇおよび第８内側導水板８４ｈは、環状導水板８６の下端部から矢印Ｙ２方向に向かって下方に若干傾斜するように延出している。第７内側導水板８４ｇおよび第８内側導水板８４ｈは、第４内側導水板８４ｄに対して平行に延在している。
【００４２】
図４に示すように、環状導水板８６の突出端部の内縁部には、Ｒ面８８（湾曲面）が設けられている。図２において、第１導水部７４（外側導水板８２）の分離面６８ａからの高さ寸法Ｈ１は、第２導水部７６（内側導水板８４および環状導水板８６）の分離面６８ａからの高さ寸法Ｈ２と同一である。具体的には、高さ寸法Ｈ１、Ｈ２は、周壁部７０の突出長の半分程度に設定されている。ただし、高さ寸法Ｈ１、Ｈ２は、任意に設定可能である。
【００４３】
図２および図３に示すように、燃料排ガス分離壁７８は、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向するように設けられている。つまり、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａは、燃料排ガス分離壁７８の下方に位置している。図２において、燃料排ガス分離壁７８の分離面６８ａからの高さ寸法Ｈ３は、高さ寸法Ｈ１、Ｈ２よりも長い。
【００４４】
図３に示すように、燃料排ガス分離壁７８は、板状に形成され、第４内側導水板８４ｄよりも下方に位置している。燃料排ガス分離壁７８は、分離壁本体９０と、分離壁本体９０に付着した液状水Ｗを下方に導く突出部９２ａ、９２ｂとを有する。分離壁本体９０は、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向するように第５内側導水板８４ｅの下方に位置する。
【００４５】
分離壁本体９０は、矢印Ｙ２方向に向かって下方に若干傾斜するように延在している。突出部９２ａは、分離壁本体９０の矢印Ｙ１方向の端部から下方に向かって矢印Ｙ１方向に傾斜するように延出している。突出部９２ｂは、分離壁本体９０の矢印Ｙ２方向の端部から下方に向かって矢印Ｙ２方向に傾斜するように延出している。
【００４６】
制御部１５は、燃料電池システム１０の全体の制御を行う。制御部１５は、開閉弁４６、４７の開閉動作を制御する。
【００４７】
次に、燃料電池システム１０の起動時の動作について、以下に説明する。なお、燃料電池システム１０の起動時には、制御部１５は、開閉弁４６を開放させるとともに開閉弁４７を閉塞させる。
【００４８】
図１に示すように、燃料電池システム１０を起動する際、燃料ガス供給装置１３では、燃料ガスが燃料ガス供給部３８から燃料ガス導入路４０を介して燃料ガス入口３４ａに供給される。燃料ガス入口３４ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路３０に導入され、燃料ガス流路３０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体１８のアノード電極２６に供給される。
【００４９】
酸化剤ガス供給装置１４では、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給部４８から酸化剤ガス導入路５０に導入される。酸化剤ガス導入路５０に導入された酸化剤ガスは、加湿器５２で加湿された後、気液分離器５４によって過剰な液状水Ｗが除去されて酸化剤ガス入口３６ａに供給される。酸化剤ガス入口３６ａに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２に導入され、酸化剤ガス流路３２に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体１８のカソード電極２８に供給される。
【００５０】
したがって、各電解質膜・電極構造体１８では、アノード電極２６に供給される燃料ガスと、カソード電極２８に供給される酸化剤ガス中の酸素とが電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００５１】
次いで、アノード電極２６に供給されて一部が消費された液状水Ｗを含む燃料ガスは、燃料排ガスとして燃料ガス出口３４ｂから燃料ガス排出路４２に排出される。この際、開閉弁４６が開放されるとともに開閉弁４７は閉塞されているため、燃料ガス排出路４２に排出された液状水Ｗを含む燃料排ガスは、燃料排ガス導入路４４を介して気液分離器５４に導入される。
【００５２】
カソード電極２８に供給されて一部が消費された酸化剤排ガスは、酸化剤ガス出口３６ｂから酸化剤ガス排出路５６を介して加湿器５２に導かれる。加湿器５２では、酸化剤排ガスの熱および液状水Ｗが酸化剤ガス導入路５０から導かれた酸化剤ガスとの間で交換される。加湿器５２を流通した酸化剤排ガスは、外部に排出される。
【００５３】
気液分離器５４では、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスと液状水Ｗを含む燃料排ガスとが気液分離され、気液分離された酸化剤ガスと燃料排ガスとが混合される。気液分離器５４から導出された混合ガスは、酸化剤ガス入口３６ａからカソード電極２８に導かれる。そうすると、混合ガスによりカソード触媒で発熱反応が生じるため、燃料電池スタック１２が迅速に暖機される。これにより、燃料電池システム１０の低温起動性能が向上する。また、燃料排ガスは、酸化剤ガスに混合された状態で燃料電池スタック１２のカソード触媒で使用される。したがって、大気中に排出される燃料排ガスの濃度は十分に低減される。
【００５４】
次に、気液分離器５４での動作について説明する。
【００５５】
図５Ａに示すように、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７２から分離器本体６０内に導入されて分離面６８ａに当たる。分離面６８ａに当たった酸化剤ガスは、分離面６８ａに沿って複数の内側導水板８４を乗り越えながら導出口６６ａに導かれる。この際、気液比重差による慣性力によって酸化剤ガス中の液状水Ｗが分離面６８ａに水滴Ｗｄとして付着する。
【００５６】
図５Ｂに示すように、分離面６８ａに付着した水滴Ｗｄには、分離面６８ａに向かう方向の界面張力γ、重力Ｇおよび空気抗力Ｃが作用する。なお、図５Ｂの例は、分離面６８ａに当たった酸化剤ガスが分離面６８ａに沿って上方に流通する場合を示している。この際、水滴Ｗｄに作用する空気抗力Ｃは重力Ｇよりも大きい。そのため、水滴Ｗｄは、空気抗力Ｃの方向、すなわち、酸化剤ガスの流通方向（図５Ｂでは上方）に分離面６８ａを移動する。なお、この際、分離面６８ａの結露水についても水滴Ｗｄと一緒に移動する。
【００５７】
図６Ａに示すように、分離面６８ａを移動した水滴Ｗｄは、第２導水部７６（内側導水板８４）に集められ、互いに結合して大きくなる。そうすると、多量の水滴Ｗｄが結合した液状水Ｗの重力Ｇは増大する。一方、酸化剤ガスは、内側導水板８４を乗り越えるように流通する。つまり、酸化剤ガスの流速ベクトルが内側導水板８４によって変化するため、液状水Ｗに作用する空気抗力Ｃは小さくなる。
【００５８】
液状水Ｗに作用する重力Ｇが空気抗力Ｃよりも大きくなると、液状水Ｗは、界面張力γ、重力Ｇおよび空気抗力Ｃの合力Ｆの方向に移動する。具体的には、図６Ｂに示すように、例えば、第４内側導水板８４ｄの下面に付着した液状水Ｗは、第４内側導水板８４ｄの下面を第５外側導水板８２ｅまで斜め下方（矢印Ｙ２方向）に流れる。そして、第５外側導水板８２ｅに到達した液状水Ｗは、第５外側導水板８２ｅを下方に流れ、排水部６４から外部に排出される。
【００５９】
このように、図７に示すように、酸化剤ガスから分離されて分離面６８ａに付着した液状水Ｗ（水滴Ｗｄ）は、複数の内側導水板８４で集められて下方に導かれ、排水部６４を介して外部に排出される。
【００６０】
燃料排ガス入口部６２から導かれた液状水Ｗを含む燃料排ガスは、分離壁本体９０に当たる。分離壁本体９０に当たった燃料排ガスは、気液比重さによる慣性力によって燃料排ガス中の液状水Ｗが分離壁本体９０に付着する。分離壁本体９０に付着した液状水Ｗは、突出部９２ａ、９２ｂにより下方に導かれ、排水部６４を介して外部に排出される。
【００６１】
なお、周壁部７０の内面７０ａに付着した結露水は、重力Ｇの作用によって第１導水部７４と周壁部７０の内面７０ａとの間の導水路８０を通り排水部６４を介して外部に排出される。液状水Ｗが分離された酸化剤ガスと燃料排ガスは、分離器本体６０内で互いに混合されて導出口６６ａから導出流路部６６に導かれる。
【００６２】
この燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。
【００６３】
燃料電池システム１０によれば、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスと燃料電池スタック１２から排出された液状水Ｗを含む燃料排ガスとの両方を気液分離器５４で気液分離している。そのため、酸化剤ガス導入路５０から燃料電池スタック１２内への過剰な液状水Ｗの導入を抑制することができる。これにより、燃料排ガスと酸化剤ガスとを燃料電池スタック１２のカソード触媒を発熱反応させることができるため、燃料電池スタック１２を迅速に暖機することができる。また、燃料排ガスをカソード触媒での化学反応に使用するとともに酸化剤ガスで希釈することができるため、大気中に放出される燃料ガスの濃度を効果的に低くすることができる。
【００６４】
気液分離器５４は、略鉛直方向に沿って延在した分離面６８ａが形成された基部６８を含む分離器本体６０を有している。分離器本体６０には、加湿器５２で加湿された酸化剤ガスを分離器本体６０内に導入するための酸化剤ガス導入口７２が分離面６８ａに対向するように設けられている。
【００６５】
このような構成によれば、酸化剤ガス導入口７２から導入された加湿された酸化剤ガスを分離面６８ａに当てることができるため、気液比重差による慣性力を利用して気体（酸化剤ガス）と液体（液状水Ｗ）とに分離することができる。
【００６６】
分離器本体６０は、分離面６８ａを周回するように基部６８から突出した周壁部７０を有している。周壁部７０には、燃料排ガス導入路４４から導かれた液状水Ｗを含む燃料排ガスを分離器本体６０内に導入するための燃料排ガス入口部６２が設けられている。分離器本体６０には、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向するように燃料排ガス分離壁７８が設けられている。
【００６７】
このような構成によれば、燃料排ガス入口部６２から導入された液状水Ｗを含む燃料排ガスを燃料排ガス分離壁７８に当てることができるため、気液比重差による慣性力を利用して気体（燃料排ガス）と液体（液状水Ｗ）とに分離することができる。
【００６８】
燃料排ガス入口部６２は、液状水Ｗを含んだ燃料排ガスが上方に向かって導出されるように分離器本体６０に設けられている。このような構成によれば、液状水Ｗを含む燃料排ガスを下方から燃料排ガス分離壁７８に当てることができるため、効率的に気液分離することができる。
【００６９】
分離面６８ａには、周壁部７０の内面７０ａに付着した液状水Ｗを下方に導くための第１導水部７４と、分離面６８ａに付着した液状水Ｗを集めて下方に導くための第２導水部７６とが設けられている。
【００７０】
このような構成によれば、周壁部７０の内面７０ａと分離面６８ａに付着した液状水Ｗを第１導水部７４と第２導水部７６によって効率的に下方に導くことができる。
【００７１】
周壁部７０は、円環状に延在した内面７０ａを有している。第１導水部７４は、周壁部７０の内面７０ａとの間に導水路８０が形成されるように周壁部７０の内面７０ａに対して隙間を空けて対向するとともに周壁部７０の周方向に沿って延在した複数の外側導水板８２を含んでいる。複数の外側導水板８２は、周壁部７０の周方向に互いに隙間を空けて配置されている。
【００７２】
このような構成によれば、周壁部７０の内面７０ａに付着した液状水Ｗは、導水路８０を介して下方に導かれる。そのため、周壁部７０の内面７０ａに付着した液状水Ｗが複数の外側導水板８２の内側に流入することを抑制できる。また、分離面６８ａに付着した液状水Ｗを互いに隣り合う外側導水板８２の間の隙間を介して導水路８０に流出させることができる。
【００７３】
第２導水部７６は、複数の外側導水板８２の内側に設けられた複数の内側導水板８４を含んでいる。このような構成によれば、分離面６８ａに付着した液状水Ｗを複数の内側導水板８４によって効率的に集めて下方に導くことができる。
【００７４】
分離面６８ａには、液状水Ｗが分離された酸化剤ガスおよび燃料排ガスを導出する導出口６６ａが形成されている。複数の外側導水板８２は、少なくとも一部が導出口６６ａを上方から覆うように設けられている。
【００７５】
このような構成によれば、周壁部７０の内面７０ａに付着した液状水Ｗが導出口６６ａに流入することを外側導水板８２（第１外側導水板８２ａ）によって効果的に抑制することができる。
【００７６】
第２導水部７６は、導出口６６ａを構成する縁部から酸化剤ガス導入口７２が位置する側に突出した環状導水板８６を含んでいる。
【００７７】
このような構成によれば、分離面６８ａに付着した液状水Ｗが導出口６６ａに流入することを環状導水板８６によって効果的に抑制することができる。
【００７８】
環状導水板８６の突出端部の内縁部には、Ｒ面８８が設けられている。このような構成によれば、液状水Ｗが分離された酸化剤ガスと燃料排ガスとが導出口６６ａに流入する際の圧力損失を低減することができる。
【００７９】
燃料排ガス分離壁７８の分離面６８ａからの高さ寸法Ｈ３は、第１導水部７４および第２導水部７６のそれぞれの分離面６８ａからの高さ寸法Ｈ１、Ｈ２よりも長い。このような構成によれば、液状水Ｗを含んだ燃料排ガスを燃料排ガス分離壁７８に効率的に当てることができる。
【００８０】
燃料排ガス分離壁７８は、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向する分離壁本体９０と、分離壁本体９０から下方に向けて突出した突出部９２ａ、９２ｂと、を有する。このような構成によれば、分離壁本体９０に付着した液状水Ｗを突出部９２ａ、９２ｂによって下方に導くことができる。
【００８１】
分離器本体６０には、分離された液状水Ｗを外部に排出するための排水部６４が設けられている。このような構成によれば、分離器本体６０内に液状水Ｗが溜まることを抑制できる。
【００８２】
気液分離器５４は、加湿器５２に対して一体的に設けられている。このような構成によれば、気液分離器５４を加湿器５２に対して別体に設けた場合よりも燃料電池システム１０を小型化することができるとともに部品点数の削減を図ることができる。
【００８３】
複数の外側導水板８２の数、形状、大きさは、任意に設定することができる。複数の内側導水板８４の数、形状、大きさは、任意に設定することができる。気液分離器５４は、加湿器５２に対して別体に設けられていてもよい。つまり、気液分離器５４は、酸化剤ガス導入路５０における加湿器５２よりも下流側に設けられていればよい。
【００８４】
燃料排ガス入口部６２は、周壁部７０の下部に設ける例に限定されず、周壁部７０の上部、周壁部７０の上下方向の中央部に設けられていてもよい。燃料排ガス分離壁７８の高さ寸法Ｈ３は、第１導水部７４の高さ寸法Ｈ１および第２導水部７６の高さ寸法Ｈ２と同一であってもよいし、これら高さ寸法Ｈ１、Ｈ２よりも低くてもよい。つまり、燃料排ガス入口部６２の開口部６２ａに対向していれば、燃料排ガス分離壁７８の高さ寸法Ｈ３は、任意に設定することができる。第１導水部７４の高さ寸法Ｈ１と第２導水部７６の高さ寸法Ｈ２とは、互いに異なっていてもよい。導出口６６ａは、分離面６８ａの任意の位置に形成することができる。
【００８５】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００８６】
１０…燃料電池システム                  １２…燃料電池スタック
４４…燃料排ガス導入路                  ５０…酸化剤ガス導入路
５２…加湿器                            ５４…気液分離器
６０…分離器本体                        ６２…燃料排ガス入口部
６２ａ…開口部                          ６４…排水部
６６ａ…導出口                          ６８…基部
６８ａ…分離面                          ７０…周壁部
７０ａ…内面                            ７８…燃料排ガス分離壁
７４…第１導水部                        ７６…第２導水部
８２…外側導水板                        ８４…内側導水板
８６…環状導水板                        ８８…Ｒ面
９２ａ、９２ｂ…突出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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