JP2010049878A

JP2010049878A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2010049878A
Application number: JP2008211789A
Authority: JP
Inventors: Sadatsugu Nagata; 定嗣永田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP5228695B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain freezing of a relief valve of a fuel cell system equipped with an ejector for joining circulation gas exhausted from a fuel cell to supply gas to the same. <P>SOLUTION: The relief valve 25 is integrally installed with the ejector 24, at which time, the relief valve 25 is so installed to be communicated with an upstream side of a joining part 48 of the supply gas in the ejector 24 with the circulation gas. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、エゼクタを備えた燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system provided with an ejector.

燃料電池システムとして、燃料ガスの循環系にエゼクタを設け、エゼクタにより燃料オフガスを燃料ガスに合流させて燃料電池に供給するものが知られている。例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、エゼクタのノズルから燃料ガスを噴射することで、循環流路内の燃料オフガスを吸引し、エゼクタ内で燃料ガスと燃料オフガスとを合流させて燃料電池に供給している。
特開２００４−１６５０２１号公報 2. Description of the Related Art As a fuel cell system, an ejector is provided in a fuel gas circulation system, and a fuel off gas is merged with the fuel gas by the ejector and supplied to the fuel cell. For example, in the fuel cell system described in Patent Document 1, the fuel gas is injected from the nozzle of the ejector to suck the fuel off gas in the circulation flow path, and the fuel gas and the fuel off gas are merged in the ejector. The battery is being supplied.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-165021

ところで、エゼクタを燃料電池スシステムの燃料ガス配管ラインに搭載する場合、燃料ガス配管ラインでの異常高圧から燃料電池を保護するためにも、リリーフ弁を設置することが望ましい。しかし、この点、特許文献１では何ら考慮されていない。
単純にリリーフ弁を燃料ガス配管ラインに設置したのでは、次の問題が生じる。
燃料ガス配管ラインの供給流路には、通常、減圧弁が設けられており（例えば特許文献１参照）、減圧弁の上流側などは燃料電池の常用圧力以上となる。それゆえ、このような常圧以上の部分にリリーフ弁を設置する場合には、燃料電池の耐圧を上げる必要がある。
一方、燃料電池の常用圧力である燃料ガス配管ラインの循環系（エゼクタから燃料電池のガス入口までの合流流路と、燃料電池のガス出口からエゼクタまでの循環流路とからなる。）にリリーフ弁を設置することも考えられる。しかし、循環系には、燃料電池の発電反応によって生成された水分が含まれている。このため、運転停止後の燃料電池システムの外気温が氷点下以下の場合、循環系の水分によりリリーフ弁が凍結して正常に作動しなくおそれがある。 By the way, when the ejector is mounted on the fuel gas piping line of the fuel cell system, it is desirable to install a relief valve in order to protect the fuel cell from abnormal high pressure in the fuel gas piping line. However, in this respect, Patent Document 1 does not consider anything.
If the relief valve is simply installed in the fuel gas piping line, the following problems arise.
The supply flow path of the fuel gas piping line is usually provided with a pressure reducing valve (see, for example, Patent Document 1), and the upstream side of the pressure reducing valve is at or above the normal pressure of the fuel cell. Therefore, when the relief valve is installed at such a portion above the normal pressure, it is necessary to increase the pressure resistance of the fuel cell.
On the other hand, relief is provided to the circulation system of the fuel gas piping line, which is the normal pressure of the fuel cell (consisting of a confluence channel from the ejector to the gas inlet of the fuel cell and a circulation channel from the gas outlet of the fuel cell to the ejector). It is also possible to install a valve. However, the circulation system contains moisture generated by the power generation reaction of the fuel cell. For this reason, when the outside temperature of the fuel cell system after the operation is stopped is below freezing point, the relief valve may freeze due to the water in the circulation system and may not operate normally.

本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エゼクタを備えた燃料電池システムにおいて、リリーフ弁の凍結を抑制することである。
することができる The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to suppress freezing of a relief valve in a fuel cell system equipped with an ejector.
can do

上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池への新たな供給ガスに当該燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタを備えたものにおいて、供給ガス圧が作用するようにエゼクタにおける供給ガスと循環ガスとの合流部の上流側に連通するリリーフ弁が、エゼクタと一体に設置されるものである。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes an ejector that joins a circulating gas discharged from the fuel cell to a new supply gas to the fuel cell, so that the supply gas pressure acts. In addition, a relief valve communicating with the upstream side of the joining portion of the supply gas and the circulating gas in the ejector is installed integrally with the ejector.

本発明によれば、リリーフ弁には、生成水が含有されていない供給ガスが作用するため、水分がリリーフ弁に付着することを抑制できる。よって、リリーフ弁の凍結を抑制できる。また、リリーフ弁をエゼクタに一体に設置するので、リリーフ弁を燃料電池の常用圧力のラインに設置することも可能となる。加えて、リリーフ弁をエゼクタに近接配置できるので、エゼクタに起因した異常高圧が起きても、リリーフ弁の開放を応答性良く行うことができる。 According to the present invention, supply gas that does not contain generated water acts on the relief valve, so that moisture can be prevented from adhering to the relief valve. Therefore, freezing of the relief valve can be suppressed. In addition, since the relief valve is installed integrally with the ejector, the relief valve can be installed in the normal pressure line of the fuel cell. In addition, since the relief valve can be disposed close to the ejector, the relief valve can be opened with good responsiveness even if an abnormal high pressure occurs due to the ejector.

好ましくは、エゼクタは、合流部の上流側で供給ガスの流量を絞る絞り部を有し、リリーフ弁は、絞り部と連通するとよい。この構成によれば、絞り部によって低下した供給ガス圧がリリーフ弁に作用することになる。これにより、リリーフ弁の設定圧を低くできるので、燃料電池の耐圧を大きくしなくて済む。 Preferably, the ejector has a throttle portion that throttles the flow rate of the supply gas on the upstream side of the junction portion, and the relief valve communicates with the throttle portion. According to this configuration, the supply gas pressure reduced by the throttle portion acts on the relief valve. Thereby, since the set pressure of the relief valve can be lowered, it is not necessary to increase the pressure resistance of the fuel cell.

より好ましくは、リリーフ弁と絞り部とを連通する連通路にも、供給ガスの流量を絞る絞り機構が設けられるとよい。こうすることで、リリーフ弁の設定圧をさらに低くできる。 More preferably, a throttle mechanism that throttles the flow rate of the supply gas is also provided in the communication path that connects the relief valve and the throttle portion. By doing so, the set pressure of the relief valve can be further reduced.

別の好ましい一態様によれば、リリーフ弁は、絞り機構を介して合流部の上流側と連通する第１の連通路と、合流部と燃料電池との間の流路または合流部と連通する第２の連通路と、を有するとよい。こうすることで、合流部の上流側の、生成水を含有していない供給ガスがリリーフ弁に作用するため、リリーフ弁の乾燥状態を維持することが可能となる。 According to another preferable aspect, the relief valve communicates with the first communication passage communicating with the upstream side of the merging portion via the throttle mechanism, and the flow path or the merging portion between the merging portion and the fuel cell. And a second communication path. By doing so, the supply gas that does not contain the generated water on the upstream side of the junction acts on the relief valve, so that the dried state of the relief valve can be maintained.

本発明の別の燃料電池システムは、供給ガスがエゼクタをバイパスして流れるように、エゼクタにおける供給ガスと循環ガスとの合流部の上流側と下流側とを連通するバイパス流路と、バイパス流路に設けられたリリーフ弁とを備え、さらに、リリーフ弁の上流側に、バイパス流路を流れる供給ガスの流量を絞る絞り機構を備えたものである。 Another fuel cell system of the present invention includes a bypass flow path that communicates the upstream side and the downstream side of the junction of the supply gas and the circulation gas in the ejector so that the supply gas flows bypassing the ejector, and a bypass flow A relief valve provided in the passage, and further, a throttling mechanism for restricting the flow rate of the supply gas flowing through the bypass flow path is provided upstream of the relief valve.

本発明によっても、リリーフ弁には、生成水が含有されていない供給ガスが作用するため、リリーフ弁への水分の付着ひいては凍結を抑制できる。加えて、絞り機構によってリリーフ弁の設定圧を低くできるので、燃料電池の耐圧確保のための構成も簡素化できる。 Also according to the present invention, since the supply gas not containing the generated water acts on the relief valve, the adhesion of moisture to the relief valve and thus freezing can be suppressed. In addition, since the set pressure of the relief valve can be lowered by the throttle mechanism, the configuration for ensuring the pressure resistance of the fuel cell can be simplified.

以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、リリーフ弁の凍結を抑制できる。 According to the fuel cell system of the present invention described above, freezing of the relief valve can be suppressed.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。 Hereinafter, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１に示すように、実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４を備える。燃料電池２は、酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。酸化ガスは、例えば、空気であり、酸素を含むガスである。燃料ガスは、例えば、水素ガスである。なお、燃料電池２に供給される酸化ガス及び燃料ガスは反応ガスと総称され、燃料電池２から排出される酸化オフガス及び燃料オフガス（水素オフガス）は反応オフガスと総称される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the embodiment includes a fuel cell 2, an oxidizing gas piping system 3, and a fuel gas piping system 4. The fuel cell 2 generates electric power upon receiving supply of oxidizing gas and fuel gas. The oxidizing gas is, for example, air and a gas containing oxygen. The fuel gas is, for example, hydrogen gas. The oxidizing gas and fuel gas supplied to the fuel cell 2 are collectively referred to as reaction gas, and the oxidizing off gas and fuel off gas (hydrogen off gas) discharged from the fuel cell 2 are collectively referred to as reaction off gas.

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造を備える。燃料電池２の単セルは、電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに水素ガスが供給される。供給された水素ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。この際、燃料電池２の内部には水が生成される。 The fuel cell 2 is made of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of cells are stacked. The single cell of the fuel cell 2 has an air electrode on one surface of the electrolyte membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. An oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas channel 2a of one separator, and a hydrogen gas is supplied to the fuel gas channel 2b of the other separator. The fuel cell 2 generates electric power by the electrochemical reaction of the supplied hydrogen gas and oxidizing gas. At this time, water is generated inside the fuel cell 2.

酸化ガス配管系３は、加湿器１１により加湿された酸化ガスを燃料電池２に供給する供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを加湿器１１に導く排出流路１３と、加湿器１１から水素希釈器（図示省略）に酸化オフガスを導くための排気流路１４と、を備える。コンプレッサ１５が、大気中の酸素ガスを取り込んで、供給流路１２を通じて加湿器１１及び燃料電池２へと圧送する。 The oxidizing gas piping system 3 includes a supply channel 12 that supplies the oxidizing gas humidified by the humidifier 11 to the fuel cell 2, a discharge channel 13 that guides the oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 2 to the humidifier 11, and And an exhaust passage 14 for guiding the oxidizing off gas from the humidifier 11 to a hydrogen diluter (not shown). The compressor 15 takes in oxygen gas in the atmosphere and pumps it to the humidifier 11 and the fuel cell 2 through the supply flow path 12.

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給流路２２、循環系２３、エゼクタ２４及びリリーフ弁２５を備える。
水素供給源２１は、例えば、高圧の水素ガスを貯留した水素タンクであるが、水素吸蔵合金であってもよいし、天然ガス等を水素ガスに改質する改質器を備えたものであってもよい。供給流路２２は、循環系２３の一部を通じて燃料電池２に水素ガスを供給するために、水素供給源２１からの新たな水素ガスを遮断弁３１及びインジェクタ３２を介してエゼクタ２４に導くものである。インジェクタ３２は、例えばデューティ制御により、燃料電池２への新たな水素ガスの流量や圧力を調整する。なお、インジェクタ３２の上流側には減圧弁が１以上設けられるとよい。 The fuel gas piping system 4 includes a hydrogen supply source 21, a supply flow path 22, a circulation system 23, an ejector 24, and a relief valve 25.
The hydrogen supply source 21 is, for example, a hydrogen tank that stores high-pressure hydrogen gas, but may be a hydrogen storage alloy or may include a reformer that reforms natural gas or the like into hydrogen gas. May be. The supply flow path 22 guides new hydrogen gas from the hydrogen supply source 21 to the ejector 24 via the shut-off valve 31 and the injector 32 in order to supply hydrogen gas to the fuel cell 2 through a part of the circulation system 23. It is. The injector 32 adjusts the flow rate and pressure of new hydrogen gas to the fuel cell 2 by, for example, duty control. One or more pressure reducing valves may be provided on the upstream side of the injector 32.

循環系２３は、水素オフガスを燃料電池２に循環させるためのものであり、循環流路２３ａ及び混合流路２３ｂからなる。循環流路２３ａは、燃料電池２の水素ガス出口からエゼクタ２４の吸引口までに至る流路であり、混合流路２３ｂは、エゼクタ２４の排出口から燃料電池２の水素ガス入口に至るまでの流路である。混合流路２３ｂは、エゼクタ２４内で合流する水素ガス及び水素オフガスを燃料電池２に供給する。 The circulation system 23 is for circulating the hydrogen off gas to the fuel cell 2, and includes a circulation channel 23a and a mixing channel 23b. The circulation channel 23a is a channel from the hydrogen gas outlet of the fuel cell 2 to the suction port of the ejector 24, and the mixing channel 23b is from the outlet of the ejector 24 to the hydrogen gas inlet of the fuel cell 2. It is a flow path. The mixing channel 23 b supplies the fuel cell 2 with hydrogen gas and hydrogen off-gas that merge in the ejector 24.

循環流路２３ａには、循環ポンプ３３及び気液分離器３４が介設される。気液分離器３４は、水素オフガス中の液体（水分）と気体とを分離する。分離後の水素オフガスガス中の気体は、循環ポンプ３３によってエゼクタ２４に圧送される。分離後の水分は、気液分離器３４に一時的に貯留され、パージ弁３５の開弁によりパージ路３６を通って外部に排出される。この排出時に、水素オフガスの一部も循環系２３外に排出され、循環系２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、燃料電池２に循環される水素オフガス中の水素濃度が上がる。なお、水素オフガス中の不純物は、水素オフガスに含有した生成水などの水分のほか、燃料電池２の空気極からイオン交換膜を介して燃料極に透過した窒素ガス、すなわちクロスリークした窒素ガスなどである。 A circulation pump 33 and a gas-liquid separator 34 are interposed in the circulation channel 23a. The gas-liquid separator 34 separates liquid (water) and gas in the hydrogen off-gas. The gas in the hydrogen off-gas gas after separation is pumped to the ejector 24 by the circulation pump 33. The separated water is temporarily stored in the gas-liquid separator 34 and discharged to the outside through the purge path 36 when the purge valve 35 is opened. At the time of this discharge, a part of the hydrogen off-gas is also discharged out of the circulation system 23, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation system 23 decreases, and the hydrogen concentration in the hydrogen off-gas circulated to the fuel cell 2 increases. The impurities in the hydrogen off gas include moisture such as generated water contained in the hydrogen off gas, nitrogen gas that has permeated from the air electrode of the fuel cell 2 to the fuel electrode through the ion exchange membrane, that is, cross leaked nitrogen gas, and the like. It is.

ここで、以下の説明では、供給流路２２を流れる新たな水素ガスを「供給ガス」と称し、循環流路２３ａを流れる水素オフガスを「循環ガス」と称し、供給ガスに循環ガスが合流した後の水素ガスを「混合ガス」と称する場合がある。 Here, in the following description, the new hydrogen gas flowing through the supply flow path 22 is referred to as “supply gas”, the hydrogen off-gas flowing through the circulation flow path 23a is referred to as “circulation gas”, and the circulation gas merges with the supply gas. The subsequent hydrogen gas may be referred to as “mixed gas”.

図２（ａ）に示すように、エゼクタ２４の筐体４１は、供給流路２２に接続された供給口４２と、混合流路２３ｂに接続された排出口４３と、循環流路２３ａに接続された吸引口４４と、を有する。筐体４１の内部には、供給口４２からの新たな水素ガスを下流側に向かって噴射するノズル４６と、ノズル４６の下流側に設けられたディフューザ４７と、が構成されており、ノズル４６とディフューザ４７との間に供給ガスと循環ガスとの合流部である合流空間４８が構成される。なお、図２（ａ）では、ノズル４６と筐体４１とを別々のハッチングで表しているが、ノズル４６を筐体４１の内壁に一体形成してもよい。 As shown in FIG. 2A, the housing 41 of the ejector 24 is connected to the supply port 42 connected to the supply channel 22, the discharge port 43 connected to the mixing channel 23b, and the circulation channel 23a. A suction port 44. Inside the housing 41, a nozzle 46 for injecting new hydrogen gas from the supply port 42 toward the downstream side and a diffuser 47 provided on the downstream side of the nozzle 46 are configured. A merging space 48 that is a merging portion of the supply gas and the circulation gas is formed between the diffusing member 47 and the diffuser 47. In FIG. 2A, the nozzle 46 and the casing 41 are represented by separate hatching, but the nozzle 46 may be integrally formed on the inner wall of the casing 41.

ノズル４６は、ディフューザ４７側に向かって流路断面積が徐々に小さくなるように形成された先細り形状からなり、供給口４２から導入された供給ガスの流量を絞る絞り部として機能する。なお、ノズル４６と供給口４２との間の上流部分４９の内壁も、ノズル４６におけるテーパよりも緩やかではあるが、供給ガスの流量を絞れるように僅かにテーパがつけられている。ノズル４６からディフューザ４７に向けて供給ガスが噴射されると、吸引口４４側に負圧が発生する。この負圧によって、循環流路２３ａ内の循環ガスが吸引され、合流空間４８にて供給ガスに合流した後、混合水素ガスとなってディフューザ４７を流れ、燃料電池２へと供給される。 The nozzle 46 has a tapered shape formed so that the cross-sectional area of the flow path gradually decreases toward the diffuser 47 side, and functions as a throttle unit that restricts the flow rate of the supply gas introduced from the supply port 42. The inner wall of the upstream portion 49 between the nozzle 46 and the supply port 42 is slightly tapered so that the flow rate of the supply gas can be reduced, although it is gentler than the taper in the nozzle 46. When the supply gas is injected from the nozzle 46 toward the diffuser 47, a negative pressure is generated on the suction port 44 side. Due to this negative pressure, the circulating gas in the circulation flow path 23 a is sucked and merged with the supply gas in the merge space 48, then becomes mixed hydrogen gas, flows through the diffuser 47, and is supplied to the fuel cell 2.

図２（ｂ）は、エゼクタ２４内の圧力分布を示す図である。供給口３２での供給ガスの圧力Ｐ₁は、インジェクタ３２で調整されたものである。供給ガス圧は、ノズル４６に向かうにつれて徐々に低下し、ノズル４６においてさらに絞られて低下し、ノズル４６の噴射口のところで最も低下して圧力Ｐ₂となる。その後、供給ガス圧は、合流空間４８にて上昇に転じて、僅かであるが徐々に上昇して排出口４３のところで圧力Ｐ₃となる。この圧力Ｐ₁〜Ｐ₃の範囲は、燃料電池２の常用圧力、すなわちシステム運転中の燃料電池２の内圧に含まれる。 FIG. 2B is a diagram showing the pressure distribution in the ejector 24. The pressure P ₁ of the supply gas at the supply port 32 is adjusted by the injector 32. The supply gas pressure gradually decreases toward the nozzle 46, is further reduced by the nozzle 46, and decreases most at the injection port of the nozzle 46 to become the pressure P ₂ . Thereafter, the supply gas pressure starts to rise in the merge space 48 and gradually rises to a pressure P ₃ at the discharge port 43. This range of pressures P _{1 to} P ₃ is included in the normal pressure of the fuel cell 2, that is, the internal pressure of the fuel cell 2 during system operation.

リリーフ弁２５は、合流空間４８の上流側に連通するように、エゼクタ２４と一体に設置される。リリーフ弁２５が連通する位置は、供給ガス圧力のみが作用するところであればエゼクタ２４内のどの部分でもよく、例えば、ノズル４６の噴射口と合流空間４８との間（つまり合流空間４８の直前）でもよい。本実施形態では、リリーフ弁２５は、ノズル４６に連通してノズル４６内の供給ガス圧が作用される。リリーフ弁２５に作用する供給ガス圧が、リリーフ弁２５の設定圧（作動圧）以上になったとき、リリーフ弁２５は機械的に開弁して供給ガスをエゼクタ２４の外部に放出する。 The relief valve 25 is installed integrally with the ejector 24 so as to communicate with the upstream side of the merge space 48. The position where the relief valve 25 communicates may be any part in the ejector 24 as long as only the supply gas pressure acts, for example, between the injection port of the nozzle 46 and the merge space 48 (that is, immediately before the merge space 48). But you can. In this embodiment, the relief valve 25 communicates with the nozzle 46 and the supply gas pressure in the nozzle 46 is acted on. When the supply gas pressure acting on the relief valve 25 becomes equal to or higher than the set pressure (operating pressure) of the relief valve 25, the relief valve 25 is mechanically opened to release the supply gas to the outside of the ejector 24.

図３に示すように、リリーフ弁２５は、例えば、弁座５０、弁体５２及び調圧ばね５４を筐体５６の内部に有する。調圧ばね５４は、弁体５２を弁座５２に向かって付勢する。筐体５６のフランジ部５８が、エゼクタ２４の筐体４１の外壁にボルト等により固定されることで、リリーフ弁２５がエゼクタ２４と一体に設置される。ただし、一体に設置する方法は、これに限られない。例えば、筐体５６に雄ねじを形成し、筐体４１に雌ねじを形成し、両者を螺合することでリリーフ弁２５をエゼクタ２４に一体に設置してもよい。また、エゼクタ２４の筐体４１がリリーフ弁２５の筐体５６を兼ねる構成とすることで、両者を一体に設置してもよい。 As shown in FIG. 3, the relief valve 25 includes, for example, a valve seat 50, a valve body 52, and a pressure regulating spring 54 inside a housing 56. The pressure adjusting spring 54 urges the valve body 52 toward the valve seat 52. The relief valve 25 is installed integrally with the ejector 24 by fixing the flange portion 58 of the housing 56 to the outer wall of the housing 41 of the ejector 24 with a bolt or the like. However, the method of installing integrally is not restricted to this. For example, the relief valve 25 may be installed integrally with the ejector 24 by forming a male screw on the housing 56, forming a female screw on the housing 41, and screwing them together. Moreover, the housing 41 of the ejector 24 may be configured to serve as the housing 56 of the relief valve 25, so that both may be installed integrally.

筐体５６は、弁座５０の近傍にある一方の端面に接続通路６０（第１の連通路）を有し、これとは反対の端面に開放口６２を有する。接続通路６０は、ノズル４６内の供給ガスを筐体５６内に導くことができるように、エゼクタ２４（ここでは筐体４１及びノズル４６）に形成されたリリーフ通路６４に接続される。リリーフ弁２５に作用する供給ガス圧が調圧ばね５４の付勢力よりも小さい場合には、調圧ばね５４によって弁体５３が弁座５０に当接し、リリーフ弁２５が閉じられる。一方、何らかの異常・故障によってリリーフ弁２５に作用する供給ガス圧が調圧ばね５４の付勢力よりも大きくなると、弁体５２が調圧ばね５４の付勢力に抗して弁座５０から離間する。これにより、リリーフ弁２５が開弁し、供給ガスが開放口６２から外部へと放出される。 The housing 56 has a connection passage 60 (first communication passage) on one end face in the vicinity of the valve seat 50, and an open port 62 on the opposite end face. The connection passage 60 is connected to a relief passage 64 formed in the ejector 24 (here, the housing 41 and the nozzle 46) so that the supply gas in the nozzle 46 can be guided into the housing 56. When the supply gas pressure acting on the relief valve 25 is smaller than the urging force of the pressure regulating spring 54, the valve body 53 comes into contact with the valve seat 50 by the pressure regulating spring 54 and the relief valve 25 is closed. On the other hand, when the supply gas pressure acting on the relief valve 25 becomes larger than the urging force of the pressure adjusting spring 54 due to some abnormality / failure, the valve body 52 separates from the valve seat 50 against the urging force of the pressure adjusting spring 54. . As a result, the relief valve 25 is opened, and the supply gas is released to the outside through the opening 62.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、リリーフ弁２５には供給ガスのみが導かれるが、この供給ガスには、燃料電池２の発電に伴う生成水が含まれていない。このため、リリーフ弁２５の弁座５０及び弁体５２などに水分が付着することを抑制される。これにより、リリーフ弁２５の凍結を抑制することができ、外気温が氷点下以下の場合に燃料電池システム１の運転を開始する場合にも、リリーフ弁２５が正常に作動する状態を保つことができる。また、リリーフ弁２５をエゼクタ２４に一体に近接配置できるので、エゼクタ２４に起因した異常高圧が起きても、リリーフ弁２５の開放を応答性良く行うことができる。 As described above, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, only the supply gas is guided to the relief valve 25, but this supply gas contains generated water accompanying the power generation of the fuel cell 2. Absent. For this reason, it is suppressed that a water | moisture content adheres to the valve seat 50 of the relief valve 25, the valve body 52, etc. FIG. Thereby, freezing of the relief valve 25 can be suppressed, and even when the operation of the fuel cell system 1 is started when the outside air temperature is below freezing point, the state where the relief valve 25 operates normally can be maintained. . In addition, since the relief valve 25 can be disposed in close proximity to the ejector 24, the relief valve 25 can be opened with high responsiveness even if an abnormal high pressure due to the ejector 24 occurs.

加えて、リリーフ弁２５の連通位置を合流空間４８の上流側にしており、この位置での圧力は燃料電池２の常用圧力である。したがって、リリーフ弁２５を燃料電池２の常用圧力のラインに設置することができるので、リリーフ弁２５の作動圧を燃料電池２の常用圧力程度、すなわち常用圧力を超えるものの水素供給源２１の内圧よりも十分に低い圧力に設定できる。このことは、常用圧力を大きく超えるライン（例えば減圧弁の上流側）にリリーフ弁２５を連通させる場合に比べて、燃料電池２の耐圧を上げなくて済むことを意味する。 In addition, the communication position of the relief valve 25 is on the upstream side of the merge space 48, and the pressure at this position is the normal pressure of the fuel cell 2. Accordingly, since the relief valve 25 can be installed in the normal pressure line of the fuel cell 2, the operating pressure of the relief valve 25 is about the normal pressure of the fuel cell 2, that is, the internal pressure of the hydrogen supply source 21 that exceeds the normal pressure. Can be set to a sufficiently low pressure. This means that it is not necessary to increase the pressure resistance of the fuel cell 2 as compared with the case where the relief valve 25 is communicated with a line that greatly exceeds the normal pressure (for example, upstream of the pressure reducing valve).

さらに、リリーフ弁２５の連通位置が、供給ガス圧を下げるノズル４６に設定されるので、リリーフ弁２５の作動圧を簡素な構成で下げることができ、燃料電池２の耐圧をより一層上げなくて済む。なお、接続通路６０又はリリーフ通路６４に供給ガスの流量を絞る絞り機構、例えばオリフィスを設けてもよい。こうすることで、リリーフ弁２５に作用する供給ガス圧をより一層下げることができるので、リリーフ弁２５の作動圧をより一層下げることができる。 Furthermore, since the communication position of the relief valve 25 is set to the nozzle 46 that lowers the supply gas pressure, the operating pressure of the relief valve 25 can be lowered with a simple configuration, and the pressure resistance of the fuel cell 2 can be further increased. That's it. In addition, a throttle mechanism that restricts the flow rate of the supply gas, for example, an orifice, may be provided in the connection passage 60 or the relief passage 64. By doing so, the supply gas pressure acting on the relief valve 25 can be further lowered, so that the operating pressure of the relief valve 25 can be further lowered.

なお、上記実施形態においては、エゼクタ２４を流量可変式のもので構成してもよい。例えば、エゼクタ２４内のノズル４６の噴射口を可動式のニードルで可変させることで、供給ガスの流量を可変するようにしてもよい。また、循環ポンプ３３は、省略することができる。 In the above embodiment, the ejector 24 may be a variable flow rate type. For example, the flow rate of the supply gas may be varied by varying the injection port of the nozzle 46 in the ejector 24 with a movable needle. Further, the circulation pump 33 can be omitted.

次に、本発明のいくつかの変形例について相違点を中心に説明する。なお、上記実施形態と同一の構成についてはこれと同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。また、変形例を説明するのに用いる図面は適宜簡略化して示す。 Next, some modifications of the present invention will be described focusing on the differences. In addition, about the structure same as the said embodiment, the code | symbol same as this is attached | subjected and the detailed description is abbreviate | omitted. In addition, drawings used for describing modifications are simplified as appropriate.

図４は、第１の変形例に係るリリーフ弁８０及びエゼクタ２４を示す図である。
エゼクタ２４と一体に設置されたリリーフ弁８０は、ノズル４６の噴射口の前後にそれぞれ連通する二つの連通路８２、８４を有する。連通路８２は、筐体４１のリリーフ通路８６を介して合流空間４８に連通し、連通路８４は、筐体４１の通路８８を介してノズル４６に連通する。連通路８２及びリリーフ通路８６は、連通路８４及び通路８８に比べて大きな内径で構成される。また、連通路８４又は通路８８には、供給ガスの流量を絞る絞り機構、例えばオリフィス９０が形成される。以上の構成により、リリーフ弁８０の弁体５２には、合流空間４８の圧力Ｐ₃とオリフィス９０で絞られた供給ガス圧とが作用することになる。 FIG. 4 is a view showing the relief valve 80 and the ejector 24 according to the first modification.
The relief valve 80 installed integrally with the ejector 24 has two communication passages 82 and 84 that communicate with the front and rear of the injection port of the nozzle 46, respectively. The communication path 82 communicates with the merging space 48 via the relief path 86 of the casing 41, and the communication path 84 communicates with the nozzle 46 via the path 88 of the casing 41. The communication passage 82 and the relief passage 86 have a larger inner diameter than the communication passage 84 and the passage 88. The communication passage 84 or the passage 88 is formed with a throttle mechanism, for example, an orifice 90, for reducing the flow rate of the supply gas. With the above configuration, the pressure P ₃ of the merge space 48 and the supply gas pressure throttled by the orifice 90 act on the valve body 52 of the relief valve 80.

このようなリリーフ弁８０を備えた燃料電池システム１によれば、リリーフ弁８０を循環ガスの水分に接触し得るような状況で設置しなければならない場合にも、水分を含まない供給ガスを連通路８４及び通路８８を介してリリーフ弁８０に導くことができる。これにより、弁体５２にドライな供給ガスの流れができるので、弁体５２への水分の付着を抑制できる。よって、上記実施形態と同様に、リリーフ弁２５の凍結を抑制することができる。その他、リリーフ弁２５を燃料電池２の常用圧力のラインに設置できるなどの効果も奏される。なお、リリーフ弁８０の連通路８２は、合流空間４８ではなくて、ディフューザ４７や混合流路２３ｂなどの流路に連通してもよい。 According to the fuel cell system 1 provided with such a relief valve 80, even when the relief valve 80 must be installed in a situation where it can come into contact with the moisture of the circulating gas, the supply gas containing no moisture is connected. It can be led to the relief valve 80 via the passage 84 and the passage 88. Thereby, since a dry supply gas can flow through the valve body 52, adhesion of moisture to the valve body 52 can be suppressed. Therefore, similarly to the above embodiment, freezing of the relief valve 25 can be suppressed. In addition, the relief valve 25 can be installed in the normal pressure line of the fuel cell 2. The communication passage 82 of the relief valve 80 may communicate with a flow path such as the diffuser 47 and the mixing flow path 23b instead of the merging space 48.

図５は、第２の変形例に係る燃料電池システム１００を示す構成図である。
燃料電池システム１００が上記実施形態と異なる点は、バイパスライン１１０（バイパス流路）が設置され、バイパスライン１１０の途中に絞り機構１１２とリリーフ弁１１４とが設置されたことである。バイパスライン１１０は、供給ガスがエゼクタ２４をバイパスして流れるように、供給流路２２と混合流路２３ｂとを連通する。絞り機構１１２は、バイパスライン１１０を流れる供給ガスの流量を絞るものであり、例えばオリフィスからなる。 FIG. 5 is a configuration diagram showing a fuel cell system 100 according to a second modification.
The fuel cell system 100 is different from the above embodiment in that a bypass line 110 (bypass passage) is installed, and a throttle mechanism 112 and a relief valve 114 are installed in the middle of the bypass line 110. The bypass line 110 communicates the supply flow path 22 and the mixing flow path 23b so that the supply gas flows bypassing the ejector 24. The throttle mechanism 112 throttles the flow rate of the supply gas flowing through the bypass line 110, and is made of, for example, an orifice.

この燃料電池システム１００によっても、リリーフ弁１１４には供給ガスのみが導かれるので、リリーフ弁１１４の凍結を抑制することができる。また、リリーフ弁１１２を燃料電池２の常用圧力のラインに設置でき、しかも、絞り機構１１２によってバイパスライン１１０の圧力上昇を抑えることができるので、リリーフ弁１１４の設定圧を低くすることができる。このため、上記同様に、燃料電池２の耐圧確保のための構成も簡素化することができる。 Also by this fuel cell system 100, since only the supply gas is guided to the relief valve 114, freezing of the relief valve 114 can be suppressed. In addition, the relief valve 112 can be installed in the normal pressure line of the fuel cell 2, and the pressure increase in the bypass line 110 can be suppressed by the throttle mechanism 112, so that the set pressure of the relief valve 114 can be lowered. For this reason, the structure for ensuring the pressure | voltage resistance of the fuel cell 2 can also be simplified similarly to the above.

図６は、第３の変形例に係るリリーフ弁１３０の弁体５２まわりを示す拡大断面図である。
このリリーフ弁１３０は、筐体５６において弁座５０の近傍にある接続通路６０に、排水溝１３２を形成したものである。排水溝１３２は、弁座５０の位置から重力方向の下方へと一本以上が延在してなる。弁座５０は、環状の弾性体などからなり、弁体５２に離接される。 FIG. 6 is an enlarged sectional view showing the periphery of the valve body 52 of the relief valve 130 according to the third modification.
This relief valve 130 has a drainage groove 132 formed in the connection passage 60 in the vicinity of the valve seat 50 in the housing 56. One or more drainage grooves 132 extend from the position of the valve seat 50 downward in the direction of gravity. The valve seat 50 is formed of an annular elastic body or the like, and is separated from and connected to the valve body 52.

このようなリリーフ弁１３０を用いることで、仮に弁体５２に水分が付着しても、この水分が排水溝１３２をつたって排水され易くなる。これにより、弁体５２に水分が滞留し難くなるので、リリーフ弁１３０の凍結抑制を図ることができる。なお、このリリーフ弁１３０は、エゼクタ２４における供給ガスと循環ガスとの合流部の下流側に連通する場合に好適に用いられるものであり、例えば上記した図４に示すリリーフ弁８０に代えて用いられるのに好適となる。 By using such a relief valve 130, even if water adheres to the valve body 52, the water easily drains through the drain groove 132. As a result, it becomes difficult for water to stay in the valve body 52, so that the relief valve 130 can be prevented from freezing. The relief valve 130 is preferably used when communicating with the downstream side of the joining portion of the supply gas and the circulating gas in the ejector 24. For example, the relief valve 130 is used in place of the relief valve 80 shown in FIG. It is suitable to be made.

図７は、第４の変形例に係る燃料電池システム１４０を示す構成図である。
燃料電池システム１４０が上記実施形態と異なる点は、気液分離器３４と供給流路２２の配管とを熱交換させる構成にしたことである。気液分離器３４に導入される循環ガスは、燃料電池２の発電反応（発熱反応）によって温められたものであるため、供給流路２２の配管を流れる供給ガスよりも温度が十分に高い。したがって、熱交換することで、気液分離器３４を冷却することができる。 FIG. 7 is a configuration diagram showing a fuel cell system 140 according to a fourth modification.
The fuel cell system 140 is different from the above embodiment in that the gas-liquid separator 34 and the piping of the supply flow path 22 are configured to exchange heat. Since the circulating gas introduced into the gas-liquid separator 34 is warmed by the power generation reaction (exothermic reaction) of the fuel cell 2, the temperature is sufficiently higher than the supply gas flowing through the piping of the supply flow path 22. Therefore, the gas-liquid separator 34 can be cooled by heat exchange.

熱交換の方法は各種の方法をとることができ、例えば供給流路２２の配管そのもの又は供給流路２２から分岐させた熱交換用の配管を気液分離器３４の筐体内に挿通させたり、この筐体に接触させたりする方法がある。この場合、インジェクタ３２の下流側の供給流路２２の配管等を用いてもよいが、より冷却効果を高めるには、インジェクタ３２の上流側の供給流路２２の配管等を用いることが好ましい。 Various methods can be used for the heat exchange, for example, the piping itself of the supply flow path 22 or the heat exchange pipe branched from the supply flow path 22 is inserted into the housing of the gas-liquid separator 34, There is a method of contacting the casing. In this case, piping or the like of the supply flow path 22 on the downstream side of the injector 32 may be used. However, in order to further enhance the cooling effect, it is preferable to use piping or the like of the supply flow path 22 on the upstream side of the injector 32.

このような燃料電池システム１４０によれば、気液分離器３４の冷却によって、循環ガスの露点を下げることができる。これにより、気液分離器３４での気体と液体との分離効果を向上することができ、循環系２３の水分量を低減することができ、リリーフ弁１５０の凍結抑制を図ることができる。なお、このリリーフ弁１５０は、エゼクタ２４における供給ガスと循環ガスとの合流部の下流側に連通する場合に好適に用いられるものであり、例えば上記した図４に示すリリーフ弁８０に代えて用いられるのに好適となる。 According to such a fuel cell system 140, the dew point of the circulating gas can be lowered by cooling the gas-liquid separator 34. Thereby, the separation effect of the gas and liquid in the gas-liquid separator 34 can be improved, the amount of water in the circulation system 23 can be reduced, and freezing of the relief valve 150 can be suppressed. The relief valve 150 is preferably used when communicating with the downstream side of the joining portion of the supply gas and the circulating gas in the ejector 24. For example, the relief valve 150 is used in place of the relief valve 80 shown in FIG. It is suitable to be made.

図８は、第５の変形例に係る燃料電池システム１６０を示す構成図である。
燃料電池システム１６０が上記実施形態と異なる点は、リリーフ弁１６２が混合流路２３ｂに設置され、さらに、気液分離器３４の下流側にドライヤ１６４が設置されたことである。ドライヤ１６４によって、気液分離器３４で完全に分離できなかった循環ガス中の水分を取り除くことが可能となる。よって、この燃料電池システム１６０によれば、循環系２３の水分量を低減することができ、リリーフ弁１６２の凍結抑制を図ることができる。なお、このリリーフ弁１６２には、上記した図６に示す排水溝１３２を形成することが好ましい。 FIG. 8 is a configuration diagram showing a fuel cell system 160 according to a fifth modification.
The fuel cell system 160 is different from the above embodiment in that a relief valve 162 is installed in the mixing channel 23 b and a dryer 164 is installed downstream of the gas-liquid separator 34. The dryer 164 makes it possible to remove moisture in the circulating gas that could not be completely separated by the gas-liquid separator 34. Therefore, according to the fuel cell system 160, the water content of the circulation system 23 can be reduced, and the freezing of the relief valve 162 can be suppressed. The relief valve 162 is preferably formed with the drainage groove 132 shown in FIG.

図９は、第６の変形例に係る燃料電池システム１７０を示す構成図である。また、図１０は、燃料電池システム１７０の循環系２３における温度及び水分量の分布を示す図である。この燃料電池システム１７０が上記実施形態と異なる点は、リリーフ弁１７２が循環ポンプ３３の出口側（下流側）に設置されたことである。 FIG. 9 is a configuration diagram showing a fuel cell system 170 according to a sixth modification. FIG. 10 is a diagram showing the distribution of temperature and water content in the circulation system 23 of the fuel cell system 170. The fuel cell system 170 is different from the above embodiment in that the relief valve 172 is installed on the outlet side (downstream side) of the circulation pump 33.

図１０に示すように、循環ガスの温度は、燃料電池２の水素ガス出口から気液分離器３４にかけて僅かに低下するが、循環ポンプ３３の出口側にかけて急激に上昇する。これは、循環ポンプ３３によって循環ガスの圧力が高まるからである。その後、循環ガスは、エゼクタ２４内での供給ガスとの合流によって温度が低下する。このような循環系２３の温度分布を考慮して、循環系２３において最も温度が高くなる循環ポンプ３３の下流側にリリーフ弁１７２を設置している。 As shown in FIG. 10, the temperature of the circulating gas slightly decreases from the hydrogen gas outlet of the fuel cell 2 to the gas-liquid separator 34, but rapidly increases toward the outlet side of the circulating pump 33. This is because the pressure of the circulating gas is increased by the circulation pump 33. Thereafter, the temperature of the circulating gas decreases due to the merge with the supply gas in the ejector 24. In consideration of such a temperature distribution of the circulation system 23, a relief valve 172 is installed on the downstream side of the circulation pump 33 in which the temperature is highest in the circulation system 23.

したがって、この燃料電池システム１７０によれば、リリーフ弁１７２で結露し難くさせるので、リリーフ弁１７２の凍結抑制を図ることができる。なお、このリリーフ弁１７２にも、上記した図６に示す排水溝１３２を形成することができる。 Therefore, according to the fuel cell system 170, the relief valve 172 makes it difficult for condensation to occur, so that the relief valve 172 can be prevented from freezing. The relief valve 172 can also be formed with the drainage groove 132 shown in FIG.

上記した本発明の燃料電池システムは、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。 The above-described fuel cell system of the present invention can be mounted on a moving body such as a train, an aircraft, a ship, a self-propelled robot, or the like other than a two-wheel or four-wheel automobile. Further, the fuel cell system 1 can be used for stationary use and can be incorporated into a cogeneration system.

さらに、エゼクタ２４を酸素ガス配管系３に配設してもよい。例えば、エゼクタ２４によって、コンプレッサ１５からの新たな酸素ガス（供給ガス）に、排出流路１３の酸素オフガス（循環ガス）を合流させ、この合流後の混合酸素ガスを燃料電池２に供給してもよい。その場合にも、リリーフ弁の設置場所などについて上記した態様を適用することができる。 Further, the ejector 24 may be disposed in the oxygen gas piping system 3. For example, the ejector 24 joins oxygen off-gas (circulation gas) in the discharge passage 13 to new oxygen gas (supply gas) from the compressor 15, and supplies the mixed oxygen gas after the joining to the fuel cell 2. Also good. Even in that case, the above-described embodiment can be applied to the installation location of the relief valve.

実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system which concerns on embodiment. （ａ）は図１に示すリリーフ弁を一体に設置したエゼクタを断面図であり、（ｂ）は、このエゼクタ内の圧力分布を示す図である。(A) is sectional drawing of the ejector which installed the relief valve shown in FIG. 1 integrally, (b) is a figure which shows the pressure distribution in this ejector. 図１に示すリリーフ弁の構造を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the relief valve shown in FIG. 第１の変形例に係るリリーフ弁及びエゼクタを示す図である。It is a figure which shows the relief valve and ejector which concern on a 1st modification. 第２の変形例に係る燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system which concerns on a 2nd modification. 第３の変形例に係るリリーフ弁の弁体まわりを示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the valve body circumference of the relief valve concerning the 3rd modification. 第４の変形例に係る燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system which concerns on a 4th modification. 第５の変形例に係る燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system which concerns on a 5th modification. 第６の変形例に係る燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system which concerns on a 6th modification. 図９に示す燃料電池システムの循環系における温度及び水分量の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the temperature in the circulation system of the fuel cell system shown in FIG.

Explanation of symbols

１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：酸化ガス配管系、４：燃料ガス配管系、２２：供給流路、２３：循環系、２４：エゼクタ、２５：リリーフ弁、４６：ノズル（絞り部）、６０：接続通路（連通路）、６４：リリーフ通路（連通路）、８２：第２の連通路、８１：第１の連通路、９０：オリフィス（絞り機構）、１１０：バイパスライン（バイパス流路）、１１２：絞り機構 1: fuel cell system, 2: fuel cell, 3: oxidizing gas piping system, 4: fuel gas piping system, 22: supply flow path, 23: circulation system, 24: ejector, 25: relief valve, 46: nozzle (throttle) Part), 60: connection passage (communication passage), 64: relief passage (communication passage), 82: second communication passage, 81: first communication passage, 90: orifice (throttle mechanism), 110: bypass line ( Bypass flow path), 112: throttle mechanism

Claims

In a fuel cell system including an ejector for joining a circulating gas discharged from the fuel cell to a new supply gas to the fuel cell,
A fuel cell system in which a relief valve communicating with an upstream side of a joining portion of a supply gas and a circulating gas in the ejector so as to act on a supply gas pressure is installed integrally with the ejector.

The ejector has a throttle portion that restricts the flow rate of the supply gas upstream of the merge portion,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the relief valve communicates with the throttle portion.

The fuel cell system according to claim 2, wherein a throttle mechanism that throttles a flow rate of a supply gas is provided in a communication path that communicates the relief valve and the throttle portion.

The relief valve is
A first communication path communicating with the upstream side of the merging portion via a throttle mechanism that throttles the flow rate of the supply gas;
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a flow path between the merging portion and the fuel cell or a second communication passage communicating with the merging portion.