CN101151762A - 氢气产生装置和包含该氢气产生装置的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的氢气产生装置中，多个重整器以重整和再生模式周期性地操作。PSR重整器10A和10B的热容小于其余PSR重整器的热容。因此，与其余PSR重整器相比，催化剂温度在PSR重整器10A和10B中更快地达到重整开始温度。当氢气产生装置启动并且重整反应开始时，将汽油蒸气和水蒸气选择性地优先供给至PSR重整器10A和10B，以使重整反应在PSR重整器10A和10B中进行。

Description

氢气产生装置和包含该氢气产生装置的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种氢气产生装置，其使用催化剂通过重整反应来交替地产生氢，并通过再生反应来使催化剂再生。再生反应通过加热催化剂来使催化剂再生，用于下一次重整反应。本发明还涉及一种包含这种氢气产生装置的燃料电池系统。
背景技术
在电动车辆中，燃料电池被用作功率源。因此需要提供用于在燃料电池中发电的氢或者用于产生氢的反应物。
在提供氢本身的情况下，可以用下面的方式来存储氢：(i)将氢气压缩并存储在高压容器中，(ii)将氢气液化并存储在罐中，或者(iii)使用储氢合金或者吸氢剂来提供氢。当氢气如(i)所述存储在高压容器中时，由于容器的厚壁和较小的内部容积，仅可以在高压容器中存储少量的氢。当如(ii)所述存储液化的氢时，液化的氢的一部分由于蒸发而损耗，并且大量的能量消耗在氢的液化上。当如(iii)所述使用储氢合金或者吸氢剂来提供氢时，存储的氢的密度通常小于驱动电动车辆所需的密度。此外，对氢的存储、吸收等的控制很困难。在提供反应物的情况下，可以使用反应物通过蒸汽重整反应来产生氢气。但是，因为重整反应是吸热反应，所以需要提供热源。在系统中设置电加热器等作为热源降低了整个系统的能源效率。此外，该系统必须能够在车辆运行的各种环境条件下提取出驱动车辆所需的氢量。
目前，技术上还没有提供用于供给氢的方法。但是，因为预期氢将用在越来越多的装置中，所以需要提供用于供给氢的方法。
作为与上述相关的一种技术，美国专利申请公开No 2003-0235529描述一种通过交替进行蒸汽重整反应和回收反应来产生氢的重整装置。蒸汽重整反应是吸热，并且使用反应物经催化剂在特定条件下进行。使用再生反应来提高被蒸汽重整反应降低的催化剂温度。
在用于产生氢的重整装置中，使用一对催化剂。当重整反应在一种催化剂上进行时，再生反应在另一种催化剂上进行。重整反应和再生反应在每种催化剂上交替进行。这有助于将重整反应的运行保持在一致的水平。
重整装置特别适用于重整其中硫组分并未完全去除的液体燃料等。
例如，美国专利申请公开No.2004-0170558、No.2004-0170559和NO.204-0175326也描述了与上述相关的技术。而且，日本专利申请公开No.2004-146337描述了一种燃料电池，其包括可透氢材料，并在高温下产生电力。
由于重整反应在高温下最有效率，因此需要升高两种或更多种催化剂的温度。因此，如果催化剂是冷的，例如在重整装置启动时，需要加热全部催化剂。结果，需要大量的时间来使所有催化剂的温度达到适于产生所需的氢量的合适温度。即，重整装置无法在短时间内激活。如果所需的氢量由于电力需求的骤增而急剧增加，则在燃料电池产生电力时HMFC 30上的负荷提高时，重整装置无法立即产生额外所需的氢。
特别是在车辆具有包括燃料电池的燃料电池系统的情况下，需要提供大尺寸电力存储装置，以在燃料电池开始产生电力之前供给电力。需要电力存储装置的原因在于，由重整装置产生并供给至燃料电池的氢气量对于产生所需的电力最初并不够用。然而，附加部件不仅增大燃料电池系统的重量，而且提高了系统成本。此外，使用大尺寸电力存储装置难以稳定地供给电力。另外，大尺寸电力存储装置在车辆中占用大量空间。
发明内容
考虑到以上问题，本发明提供了一种氢气产生装置，其中，例如在氢气产生装置在催化剂温度低于可以进行重整反应的温度时启动的情况下，用于产生氢的装置反应可以迅速开始，并且通过重整反应可以迅速且有效地产生所需量的氢。本发明还提供了一种燃料电池系统，其中，例如在燃料电池在催化剂温度低于可以进行重整反应的温度时启动的情况下重整反应可以迅速开始，并且可以稳定地产生所需量的电力。
用来产生氢气的蒸汽重整反应和再生反应可以交替进行。蒸汽重整反应是吸热反应。再生反应是放热反应。因此，再生反应升高催化剂的温度，而蒸汽重整反应降低催化剂的温度。因此，通过交替进行再生反应和重整反应，可以保持催化剂产生氢的效率。在此情况下，重整反应产生氢的速度，即使催化剂达到反应温度的速度，需要在氢气产生装置的常规操作开始之前(例如当氢气产生装置启动时)被提高。通过提供多个具有不同热效率(例如，不同热容)的重整器，可以有效地提高产生氢的速度(催化剂的加热速度)。在每个重整器中，重整反应和再生反应均交替进行。据此完成本发明。根据本发明，放热反应包括燃烧反应。
本发明的第一方面涉及一种氢气产生装置，其包括：多个重整器；切换装置；和切换控制装置。多个重整器中的每一个均包括催化剂。在多个重整器中的每个中，使用反应物经催化剂进行重整反应，并且使用放热材料进行放热反应以加热催化剂。切换装置在将反应物供给到多个重整器的供给通道之间进行切换，并且在将放热材料供给到多个重整器的供给通道之间进行切换。当重整反应开始时，切换控制装置控制切换装置，以使多个重整器中的催化剂温度达到重整开始温度的至少一个重整器被选择，并将反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。重整开始温度是可以进行重整反应的温度。例如，可以首先选择催化剂温度在最短时间内达到重整开始温度的至少一个重整器，其次选择选择催化剂温度在第二短的时间内达到重整开始温度的至少一个重整器。
在本发明的氢气产生装置中，提供了至少两个重整器(在下文中，有时被称为“压力摆动重整(Pressure Swing Reforming，PSR)重整器”)。在每个重整器中，可以交替进行用于产生氢的蒸汽重整反应以及再生反应。使用存储的热量来进行蒸汽重整反应。再生反应使得已经由于蒸汽重整反应而降低的存储热量增加。在至少一个重整器中进行用于产生氢的蒸汽重整反应，在另外的至少一个重整器中进行再生反应(在下文中，氢气产生装置有时被称为“PSR装置”)。
本发明可以采用如下所述的作为吸热反应的蒸汽重整反应以及作为放热反应的部分氧化反应。在本发明的重整反应中，主要进行由下述方程(1)表示的蒸汽重整反应。
CnH2n+2+nH2O→(2n+1)H2+nCO    (1)
CnH2n+2+(n/2)O2→(n+1)H2+nCO  (2)
CO+H2O<＝>CO2+H2              (3)
CO+3H2<＝>CH4+H2O             (4)
例如，在提供两个重整器的情况下，使用存储在一个重整器中的热量来进行作为吸热反应的蒸汽重整反应，而在另一个重整器中进行作为放热反应的再生反应。切换装置在将反应物供给到所述两个重整器的通道之间进行切换，并且在将放热材料供给到所述两个重整器的通道之间进行切换。当在一个重整器中存储的热量由于蒸汽重整反应而减少时，切换装置在供给通道之间进行切换，以将在所述重整器中的反应切换为再生反应。相应地，将另一个重整器中的再生反应切换为重整反应，以使用再生反应所生成的热量来产生氢。因此，不需要提供加热器等，并且在有效使用热能时可以连续地产生氢。
在所述第一方面，优选将反应物供给到多个重整器中的其中温度(特别是催化剂温度)已经达到重整开始温度的至少一个重整器。然后，重整反应优选在其中的催化剂温度已经达到重整开始温度的所述至少一个重整器中进行。结果，例如在氢气产生装置在催化剂温度低于重整开始温度时启动的情况下，重整反应可以迅速开始。因此，可以有效地降低开始重整反应所需的时间。这改善了氢气产生装置的启动能力。
而且，由于反应物被供给到其中的催化剂温度比其余重整器更快地达到重整开始温度的所述至少一个重整器，因此在过渡时期，例如当燃料电池上的负荷在电力产生时增加以及燃料电池中所需的氢量急剧增大时，氢气产生装置也可以迅速产生所需量的氢。
在所述第一方面，氢气产生装置还可包括：温度检测装置，用于检测每个重整器中的催化剂的温度；以及判定装置，用于确定催化剂的温度是否已经达到重整开始温度。如果判定装置确定至少一个重整器中的催化剂温度已经达到重整开始温度，则切换控制装置可以控制切换装置以选择所述至少一个重整器。即，切换控制装置控制切换装置以在供给通道之间进行切换，从而将反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。
在某些构造中，或在某些操作状态中，无法确定其中催化剂温度比其余重整器更快地达到重整开始温度的重整器。这可能出现在例如以下情况：PSR重整器的热容是未知的；或者多个PSR重整器的热容之间不存在显著差异；或者氢气产生装置在催化剂温度还未明显降低的情况下即重新启动。然而，根据上述方面，可以基于重整器中存储的实际热量(更具体地，检测到的催化剂温度)来选择其中催化剂温度比其余重整器更快地达到重整开始温度的重整器。因此，重整反应可以基于重整器中的催化剂温度而进行。结果，重整反应可以在氢气产生装置启动之后迅速开始。即，显著地减少了用于产生氢的重整反应开始所需的时间。这极大地改善了氢气产生装置的启动能力。
在根据第一方面的氢气产生装置中，多个重整器可以包括具有第一热容的重整器以及具有大于第一热容的第二热容的重整器。切换控制装置可以控制切换装置，以使反应物优选供给到具有第一热容的重整器。具有第一热容的重整器可以与具有第二热容的重整器配对。可以构成至少一对具有第一热容的重整器和具有第二热容的重整器。
在上述方面，重整反应在配对重整器中的一个重整器中进行，再生反应在配对重整器中的另一个重整器中进行。具有较小热容的重整器中的催化剂温度比具有较大热容的重整器中的催化剂温度更快地达到重整开始温度。重整反应优先在其中催化剂温度更快地达到重整开始温度的重整器中进行。结果，重整反应可以在例如氢气产生装置在催化剂温度低于重整开始温度时启动的情况下迅速开始。即，显著地减少了用于产生氢的重整反应开始所需的时间。这有效地改善了氢气产生装置的启动能力。
在过渡期间，例如当氢需要量骤增时，重整反应优先在具有较小热容的重整器中进行。结果，氢气产生装置可以有效地产生所需量的氢。
在根据第一方面的氢气产生装置中，多个重整器可以包括第一对结构和第二对结构。第一对结构包括至少一对热容小于或等于预定热容的重整器，第二对结构包括至少一对热容大于预定热容的重整器。切换控制装置可以控制切换装置以选择第一对结构，并将反应物供给到第一对结构中的至少一个重整器。如上所述，在第一对结构和第二对结构中，当重整反应在配对重整器中的一个重整器中进行时，再生反应在配对重整器中的另一个重整器中进行。
在上述方面，第一对结构中的催化剂温度比第二对结构更快地达到重整开始温度。重整反应优先在第一对结构中的至少一个重整器中进行。结果，重整反应可以在例如氢气产生装置在催化剂温度低于重整开始温度时启动的情况下迅速开始。即，显著地减少了用于产生氢的重整反应开始所需的时间。这有效地改善了氢气产生装置的启动能力。而且，由于重整反应在第一对结构中的至少一个重整器中进行，氢气产生装置可以在例如过渡期间(例如，当燃料电池上的负荷骤增时)迅速地产生所需的额外量的氢。
在根据第一方面的氢气产生装置中，切换装置在供给反应物的供给通道之间进行切换，并在供给放热材料的供给通道之间进行切换。此外，切换装置可以在供给含氧气体的供给通道之间进行切换。切换控制装置可以控制切换装置，以便在应当被供给反应物的至少一个重整器被选择之前(即，至少一个重整器中的温度(特别是催化剂温度)达到重整开始温度之前)将反应物和含氧气体供给到多个重整器。
在上述方面中，如果重整器的温度(特别是催化剂温度)低于重整开始温度，特别是当氢气产生装置启动时，则将反应物和含氧气体供给到重整器，从而进行放热反应，以使催化剂温度达到重整开始温度。
在根据第一方面的氢气产生装置中，切换控制装置可以在氢气产生装置启动时操作。
本发明的第二方面涉及燃料电池系统。所述燃料电池系统包括：根据本发明第一方面的氢气产生装置；以及使用所述氢气产生装置所生成的含氢气体来产生电力的燃料电池。
如上所述，优先将反应物供给到其中催化剂温度已经达到重整开始温度的至少一个重整器，以使重整反应在所述至少一个重整器中进行。因此，例如在燃料电池系统在燃料电池系统的氢气产生装置中的催化剂温度低于重整开始温度时启动的情况下，可以迅速地开始重整反应并且可以有效地产生所需量的氢。即，显著地减少了用于产生氢的重整反应开始所需的时间，并且可以稳定地进行用于产生电力的常规操作。
在所述第二方面，燃料电池可以包括电解质膜，其中在可透氢金属层的至少一个表面上提供有电解质层。在燃料电池包括其中在可透氢金属层的至少一个表面上提供有电解质层的电解质膜的情况下，燃料电池的操作温度范围为300-600℃。此操作温度范围与进行重整反应的反应温度范围基本上相同。因此，氢气产生装置所生成的富氢气体的温度处于燃料电池的操作温度范围内。而且，从燃料电池阳极排放的气体(下文中称为“阳极废气”)和从燃料电池阴极排放的气体(下文中称为“阴极废气”)可以在不改变其温度的条件下被输送至PSR重整器，并用于再生反应等。因此，通过使用包括这种电解质膜的燃料电池，可以在燃料电池系统中有效地利用热量。此外，这避免了在将富氢气体供给至燃料电池之前对其进行预加热的需要。
在本发明的氢气产生装置中，使用存储在重整器中的热量来进行重整反应。在本发明的燃料电池系统中，将蒸汽重整反应所生成的氢供给至燃料电池，并且通过再生反应(放热反应)来增加被用于产生氢的蒸汽重整反应所减少的热量。而且，重整反应和再生反应交替进行。结果，在燃料电池系统在催化剂温度低于重整开始温度时启动的情况下，重整反应可以迅速开始，可以使用反应物有效地产生所需量的氢，并且可以稳定地进行用于产生电力的操作。
在根据上述方面的氢气产生装置中，在氢气产生装置在催化剂温度低于重整开始温度时启动的情况下，用于产生氢的重整反应可以迅速开始，并且可以有效地产生所需量的氢。此外，在根据上述方面的燃料电池系统中，在燃料电池系统在催化剂温度低于重整开始温度时启动的情况下，用于产生氢的重整反应可以迅速开始，并且可以稳定地产生所需量的电力。
根据本发明，在用于控制氢气产生装置的方法中，监测每个重整器中的催化剂温度，以确定催化剂是否已经达到可以进行重整反应的重整开始温度。在多个重整器中选择其中催化剂温度已经达到重整开始温度的至少一个重整器。将反应物供给至被选择的所述至少一个重整器。
根据本发明，氢气产生装置包括多个重整器、切换装置和切换控制装置。每个重整器均包括催化剂，在每个重整器中，使用反应物经催化剂进行重整反应，使用放热材料进行放热反应以加热催化剂。切换装置在将反应物供给至多个重整器的供给通道之间进行切换，并且在将放热材料供给至多个重整器的供给通道之间进行切换。当重整反应开始时，切换控制装置控制切换装置，以使多个重整器中的其中催化剂温度已经达到重整开始温度的至少一个重整器被选择，并将反应物供给至被选择的所述至少一个重整器。重整开始温度是可以进行重整反应的温度。
附图说明
参考附图，本发明的上述和/或其它目的、特征和优点将从示例性实施方式的以下描述中变得更加清楚，其中相同或相应的部分用相同的参考标号来表示，其中：
图1为示出了根据本发明的第一种实施方式的燃料电池系统的构造的示意图；
图2为示出了根据本发明的第一种实施方式的PSR重整器的示意性构造的透视图；
图3为示出了根据本发明的第一种实施方式的氢膜燃料电池(HMFC)的示意性剖视图；
图4为示出了根据本发明的第一种实施方式的控制装置的框图；
图5为示出了根据本发明的第一种实施方式的燃料电池系统启动时执行基于热容和催化剂温度的重整反应控制的反应控制程序的流程图；
图6为示出了根据本发明的第二种实施方式的燃料电池系统启动时执行基于热容的重整反应控制的反应控制程序的流程图；
图7为示出了根据本发明的第三种实施方式的燃料电池系统启动时执行基于催化剂温度的重整反应控制的反应控制程序的流程图；
图8为示出了根据本发明的第四种实施方式的燃料电池系统的一部分的构造的示意图；
图9示出了构成根据本发明的燃料电池系统的燃料电池的另一个实施例的示意性剖视图；
图10为示出了构成根据本发明的燃料电池系统的燃料电池的另一个实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述根据本发明的实施方式的燃料电池系统。在燃料电池系统的描述中，也将详细描述根据本发明的氢气产生装置。在下述实施方式中，可以使用从燃料电池阳极排放的气体(下文称为“阳极废气”)作为放热材料。
将参考图1-图5来描述根据本发明的第一种实施方式的燃料电池系统。根据本实施方式的燃料电池系统配备在电动车辆中。燃料电池系统包括氢膜燃料电池(下文称为“HMFC”)和根据本发明的氢气产生装置。HMFC包括电解质膜，在此，质子导电陶瓷设置在可透氢金属膜的表面上。氢气产生装置包括具有不同热容的重整器。当燃料电池系统启动时，催化剂温度被升至可以进行重整反应的温度(下文称为“重整开始温度”)。具有较小热容的重整器比具有较大热容的重整器更快地达到重整开始温度。结果，重整反应优先在具有较小热容的重整器中开始。
根据本实施方式的氢气产生装置是通过并行连接两个重整装置来形成的。每个重整装置包括两个重整器，每个重整器具有不同的预定热容。HMFC使用氢气产生装置所产生的氢来产生电力。
在根据本实施方式的氢气产生装置中，使用汽油蒸气和水蒸气的混合物作为反应物，并且使用从燃料电池的氢电极(阳极)排放的阳极废气作为在再生反应中消耗的放热材料。如果需要，阳极废气可以与汽油、氢气等一起供给。然而，本发明并不限于下述实施方式。
如图1所示，根据本实施方式的氢气产生装置具有催化剂和注射装置。氢气产生装置包括PSR装置1、PSR装置2和HMFC 30。PSR装置1包括第一PSR重整器(PSR1)10A和第二PSR重整器(PSR2)20A。PSR装置2包括第三PSR重整器(PSR3)10B和第四PSR重整器(PSR4)20B。重整反应和再生反应可以在第一PSR重整器10A和第二PSR重整器20A的每个中交替进行。当重整反应在第一PSR重整器10A和第二PSR重整器20A之一中进行时，再生反应在另一个中进行。重整反应和再生反应也可以在第三PSR重整器10B和第四PSR重整器20B的每个中交替进行。当重整反应在第三PSR重整器10B和第四PSR重整器20B之一中进行时，再生反应在另一个中进行。每个PSR重整器所产生的氢被供给至HMFC 30，以使HMFC 30可以产生电力。阀起到切换装置的作用，通过控制装置对其进行控制，以在重整器或HMFC 30的通道之间自动改变连接。
在本实施方式中，重整反应和再生反应在PSR装置1中的第一PSR重整器10A和第二PSR重整器20A的每个中交替进行。当重整反应在PSR重整器10A和20A之一中进行时，再生反应在另一个中进行。重整反应和再生反应在PSR装置2中的第三PSR重整器10B和第四PSR重整器20B的每个中交替进行。当重整反应在PSR重整器10B和20B之一中进行时，再生反应在另一个中进行。控制装置自动控制多个阀(阀V1-V8以及阀V15-V22)以根据具体重整器中进行的反应来供给适当的材料(对于本情况，至少是反应物或放热材料)。这些阀在将反应物供给至PSR重整器的供给通道之间进行切换。阀还可以在将来自HMFC 30的阳极废气供给至PSR重整器的供给通道之间进行切换。此外，阀在排放从PSR重整器产生的富氢气体的排放通道之间进行切换，以及在将含氧气体(例如空气)供给至PSR重整器的供给通道之间进行切换。主要在预热操作期间将空气供给至每个PSR重整器。
PSR装置1和PSR装置2具有相同的构造。第一PSR重整器10A的热容“p”小于第二PSR重整器20A的热容“q”(p＜q)。第三PSR重整器10B的热容“r”小于第四PSR重整器20B的热容“s”(r＜s)。第一PSR重整器10A的热容“p”基本上等于第三PSR重整器10B的热容“r”。第二PSR重整器20A的热容“q”基本上等于第四PSR重整器20B的热容“s”。因此，在所有重整器被加热的情况下，PSR重整器10A和10B比PSR重整器20A和20B更快地达到重整开始温度。因此，重整反应优先在PSR重整器10A和10B中进行。
注射装置15和注射装置16安装在第一PSR重整器10A的一端。注射装置15注射反应物。注射装置16在为了预热重整器进行燃烧反应时供给空气。下文中，术语“燃烧反应”是指当燃料电池系统启动时用于预热重整器进行的燃烧反应。术语“燃烧反应”也指再生反应。第一PSR重整器10A通过注射装置15和16分别连接至具有阀V1的供给管103和具有阀V5的空气供给管107。第一PSR重整器10A还连接至具有阀V9的排气管111。
注射装置18和注射装置17安装在第二PSR重整器20A的一端。注射装置18注射反应物。注射装置17在重整器中进行燃烧反应时供给空气。第二PSR重整器20A通过注射装置18和17分别连接至具有阀V2的供给管103和具有阀V6的空气供给管108。第二PSR重整器20A还连接至具有阀V10的排气管112。
供给管103和104通过具有混合器144的管101连接至供给管100。汽油通过供给管100供给。如果需要，可以通过供给管100供给汽油蒸气与水蒸气的混合物来代替汽油。供给管107和108连接至空气供给管115。泵安装在空气供给管115的一端，并且通过空气供给管115供给来自大气的空气。通过以自动方式交替开启阀V1和V2、交替开启阀V5和V6以及V9和V10，可以选择性地将反应物和/或空气供给至进行重整反应的PSR重整器，并将再生反应所产生的气体从进行再生反应的PSR重整器排放。
此时，通过排气管136(下文描述)从HMFC 30排放的阴极废气中的水蒸气与汽油蒸气混合以形成反应物。然后，反应物被供给至进行重整反应的PSR重整器。
类似地，注射装置19和注射装置20安装在第三PSR重整器10B的一端。注射装置19注射反应物。注射装置20在进行燃烧反应时供给空气。第三PSR重整器10B通过注射装置19和20分别连接至具有阀V4的供给管105和具有阀V7的空气供给管109。第三PSR重整器10B还连接至具有阀V11的排气管113。
注射装置21和注射装置22安装在第四PSR重整器20B的一端。注射装置21注射反应物。注射装置22在进行燃烧反应时供给空气。第四PSR重整器20B通过注射装置21和22分别连接至具有阀V3的供给管106和具有阀V8的空气供给管110。第四PSR重整器20B还连接至具有阀V12的排气管114。
供给管105和106通过具有混合器145的管102连接至供给管100。汽油通过供给管100供给。如果需要，可以通过供给管100供给汽油蒸气与水蒸气的混合物来代替汽油。而且，供给管109和110连接至空气供给管115。泵安装在空气供给管115的一端，并且通过空气供给管115供给来自大气的空气。通过以自动方式交替开启阀V3和V4、交替开启阀V7和V8以及V11和V102，可以选择性地将反应物和/或空气供给至进行重整反应的PSR重整器，并将再生反应所产生的气体从进行再生反应的PSR重整器排放。
具有阀V15的排气管116连接至第一PSR重整器10A的另一端。重整反应所产生的富氢气体通过排气管116排放。此外，第一PSR重整器10A具有注射从HMFC 30排放的阳极废气的注射装置23。如果需要，注射装置23可以将阳极废气与汽油、氢气等一起注射。第一PSR重整器10A通过注射装置23连接至具有阀V19的供给管120。
具有阀V16的排气管117连接至第二PSR重整器20A的另一端。重整反应所产生的富氢气体通过排气管117排放。此外，第二PSR重整器20A具有注射从HMFC 30排放的阳极废气的注射装置24。如果需要，注射装置24可以将阳极废气与汽油、氢气等一起注射。第二PSR重整器20A通过注射装置24连接至具有阀V20的供给管121。
排气管116和117通过管131连接至氢供给管133。每个PSR重整器所产生的富氢气体通过氢供给管133供给至HMFC 30。供给管120和121连接至供给管125。从HMFC 30排放的阳极废气通过供给管125供给至PSR重整器10A和20A。通过以自动方式交替开启阀V15和V16，以及交替开启阀V19和V20，将阳极废气选择性地供给至进行再生反应的PSR重整器。如果需要，阳极废气可以与汽油、氢气等一起供给。而且，进行重整反应的PSR重整器所产生并排放的富氢气体供给至HMFC30。HMFC30使用富氢气体来产生电力。
第三和第四PSR重整器的构造与第一和第二PSR重整器的构造相同。具有阀V17的排气管118连接至第三PSR重整器10B的另一端。重整反应所产生的富氢气体通过排气管118排放。此外，第三PSR重整器10B具有注射从HMFC 30排放的阳极废气的注射装置25。如果需要，注射装置25可以将阳极废气与汽油、氢气等一起注射。第三PSR重整器10B通过注射装置25连接至具有阀V21的供给管122。
具有阀V18的排气管119连接至第四PSR重整器20B的另一端。重整反应所产生的富氢气体通过排气管119排放。第四PSR重整器20B具有注射装置26。注射装置26注射从HMFC 30排放的阳极废气。如果需要，注射装置26可以将阳极废气与汽油、氢气等一起注射。第四PSR重整器20B通过注射装置26连接至具有阀V22的供给管123。
排气管118和119通过管132连接至氢供给管133。每个PSR重整器所产生的富氢气体通过氢供给管133供给至HMFC 30。供给管122和123连接至供给管126的一端。从HMFC 30排放的阳极废气通过供给管126供给至PSR重整器10B和20B。如果需要，阳极废气可以与汽油、氢气等一起供给。通过以自动方式交替开启阀V17和V18，以及交替开启阀V21和V22，将阳极废气选择性地供给至进行再生反应的PSR重整器。如果需要，阳极废气可以与汽油、氢气等一起供给。而且，进行重整反应的PSR重整器所产生并排放的富氢气体供给至HMFC30。HMFC 30使用富氢气体来产生电力。
当用于预热的燃烧反应或重整反应进行时，例如当燃料电池系统启动时，或在过渡期间(例如，当HMFC 30上的负荷骤增时)，注射装置15、18、19和21将宽范围的反应物注入各自的PSR重整器。而且，当燃烧反应或重整反应(部分氧化反应)进行时，例如当燃料电池系统启动时，或在过渡期间，注射装置16、17、20和22将空气(含氧气体)与宽范围的反应物一起注入各自的PSR重整器。通过注射空气和反应物的混合物，燃烧反应或重整反应在设置在各自PSR重整器中的催化剂12上进行。
注射装置23-26将宽范围的阳极废气注入各自的PSR重整器，以使再生反应在设置在各自PSR重整器中的催化剂12上进行。如果需要，注射装置23-26可以将阳极废气与汽油、氢气等一起注射。
氢供给管133或管131和132可连接至储氢罐(例如，储氢装置)，该储氢罐独立分开设置并存储过量的富氢气体。利用这种构造，当燃料电池启动时、当燃料电池在低负荷下操作时、或当所需氢量因负荷改变而变化时(例如，在过渡期间)，可从储氢罐中取出氢，并适当地提高和降低氢量。而且，通过暂时改变供给的氢量，可以适当地提高和降低供给至PSR重整器的阳极废气中的氢量。
供给管125和126分别具有阀V23和阀V24。供给管125通过阀V23连接至外部供给管140和空气供给管142。供给管126通过阀V24连接至外部供给管141和空气供给管143。除了通过供给管125和126供给的阳极废气以外，可以从燃料电池系统外部通过外部供给管140和141供给汽油、氢气等。而且，阳极废气中的用于燃烧氢的空气等通过空气供给管142和143供给，从而控制控制空气量。
每个供给管125和126可以具有调节阳极废气量的节流阀以及氢缓冲罐(例如，储氢装置、高压氢罐等)。在此情况下，通过操作节流阀，或从氢缓冲罐供给氢，可以控制供给至每个PSR重整器的氢量，而不论燃料电池产生电力时的燃料电池操作状态如何。
HMFC 30的阳极侧(氢电极侧)连接至氢供给管133以及排放阳极废气的排气管134。排气管134连接至供给管125和126。HMFC 30的阴极侧(氧电极侧)连接至空气供给管135和排气管136。含氧比例高的空气(氧化剂气体)通过空气供给管135供给，并用于产生电力。燃料电池反应所产生的阴极废气通过排气管136排放。排气管137连接至排气管134的某个部分。排气管137具有阀V25。如果需要，阳极废气可以通过开启阀V25排放到燃料电池系统外部，以防止供给未充分加热的(例如在PSR重整器预热时)阳极废气。
当重整反应所产生的氢(富氢气体)和空气被供给至HMFC 30时，HMFC 30产生电力。在产生电力之后，阳极废气和阴极废气从HMFC 30排放。此外，从HMFC 30排放的阳极废气可以通过排气管134和供给管125和126主要供给至进行再生反应的PSR重整器。而且，如果需要，阳极废气通过排气管137排放到燃料电池系统外部。
另外，排气管136通过混合器144和145连接至每个管101和102的某个部分。阳极废气中包含的水分和残余氧被循环并用于重整反应。因此，汽油和阳极废气通过每个混合器混合，以形成混合气体，然后将该混合气体供给至每个PSR重整器。当水分量较小时，例如当燃料电池系统启动时或当燃料电池在低负荷下操作时，这种构造是有效的。当需要将大量水蒸气供给至进行重整反应的PSR重整器时，即需要由重整反应产生的氢量由于燃料电池所需的氢量增加而增加时，例如当HMFC 30上的负荷骤增时，这种构造也是有效的。
冷气管可以在HMFC 30中延伸。在此情况下，从大气获得的冷却空气(冷却介质)通过冷气管供给，以使HMFC 30通过热交换冷却。此冷气管可以连接至供给阳极废气的供给管(例如，供给管125、126等)，或可以直接连接至进行再生反应的PSR重整器。在此情况下，可以进行温度调节控制和流率控制，并且当进行再生反应时，空气可用于燃烧。
第一至第四PSR重整器(10A、20A、10B和20B)具有相同的构造，只是各自的热容不同。即，如图2所示，每个PSR重整器包括柱体11和催化剂(催化剂支撑部分)12。柱体11具有圆形截面。柱体11的轴向两端封闭。催化剂12被支撑在柱体11的内壁表面上。柱体11具有进行反应的空间，并且也支撑催化剂本体。
使用蜂窝陶瓷将柱体11形成为具有圆柱形状。柱体11具有直径为10cm的圆形截面。柱体11为中空体。柱体11的轴向两端封闭。柱体11的截面可以根据需要具有任意的其它形状，例如矩形和椭圆形。而且，可根据需要调整柱体11的大小。
在柱体11内壁的曲面上，轴向两端具有预定宽度A的区域被称为“无催化剂区11A和11B”(参考图1)。催化剂12未支撑在无催化剂区11A和11B上。即，催化剂12被支撑在柱体11内壁的除无催化剂区11A和11B的整个表面。催化剂12可由金属形成，所述金属例如是Pd、Ni、Pt、Ph、Ag、Ce、Cu、La、Mo、Mg、Sn、Ti、Y和Zn。
当重整反应使用催化剂在催化剂12上进行时，重整反应所产生的富氢气体在排放富氢气体的方向上的下游侧的无催化剂区11A处被冷却。因此，使富氢气体的温度接近HMFC 30的操作温度。当重整反应切换为再生反应时，无催化剂区11A的温度已经由于与富氢气体的热交换而变高。因此，在阳极废气供给催化剂12之前，可以在无催化剂区11A处将在排放富氢气体的相反方向上供给的阳极废气预加热。结果，形成的温度分布可使存储的热量向着支撑催化剂12的柱体11中部增加。这有利于促进反应。测量催化剂12的温度的温度传感器27安装在柱体11上。
在本实施方式中，第一PSR重整器10A基本上与第二PSR重整器20A配对。重整反应和再生反应在第一PSR重整器10A和第二PSR重整器20A中的每一个交替进行。当重整反应在PSR重整器10A和20A之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。而且，第三PSR重整器10B与第四PSR重整器20B配对。重整反应和再生反应在第三PSR重整器10B和第四PSR重整器20B中的每一个交替进行。当重整反应在PSR重整器10B和20B之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。
如图3所示，HMFC 30包括电解质膜51、氧电极(O2电极)52和氢电极(H2电极)53。电解质膜51包括由可透氢金属制成的致密可透氢层。电解质膜51设置在氧电极52与氢电极53之间。当每个PSR重整器所产生的富氢气体供给至HMFC 30时，氢选择性地通过电解质膜51，从而产生电力。
空气通道59a形成在氧电极52与电解质膜51之间。充当氧化剂气体的空气通过空气通道59a。即，空气通过空气通道59a供给和排放。氢通道59b形成在氢电极53与电解质膜51之间。富氢气体通过氢通道59b。即，富氢气体通过氢通道59b供给和排放。氧电极52和氢电极53均可用例如碳的各种材料(例如，担载铂或铂和其它金属的合金的碳粉)或电解质溶液(例如，Aldrich Chemical Company生产的Nafion溶液)来形成。
电解质膜51具有四个层，包括由钒(V)制成的致密基材56。基材56设置在钯(Pd)层55与57之间。Pd层55、57是致密的可透氢金属层。由固体氧化物(BaCeO3)制成的薄电解质层54设置在Pd层的表面上，其不接触基材56。
可以使用铌、钽或包含铌和钽中至少一种的合金代替钒(V)来形成基材56。它们具有高透氢率，而且并不昂贵。
可以使用SrCeO3基陶瓷质子导体代替BaCeO3来形成电解质层54。
可透氢金属的实例包括钯、钒、铌、钽、包含钒、铌和钽中的至少一种的合金以及钯合金。通过提供由这种可透氢金属制成的致密层，可以保护电解质膜。
优选地，邻近氧电极的致密层(涂层)用钒(钒本身或包含钒的合金，例如钒-镍)、铌、钽或包含铌和钽中至少一种的合金形成，原因在于这些金属具有高透氢率并且一般并不昂贵。邻近氢电极的致密层可以使用这些金属中的任意一种形成。然而，这些金属会导致氢脆化。因此，优选地，邻近氢电极的致密层用钯或钯合金形成。钯和钯合金具有高透氢率，而且不容易引起氢脆化。
在Pd层55、基材56和Pd层57堆叠的情况下，即两个或更多个不同金属层(致密可透氢金属层)如图3所示堆叠，可以在不同金属间的界面的至少一部分上设置可抑制不同金属离子扩散的金属扩散抑制层(参考图9和图10)。金属扩散抑制层描述在日本专利申请公开No.JP-A-2004-146337的第15-16段中。
除如上所述堆叠钯层(Pd层)、钒层(V层)和钯层(Pd层)以外，也可以堆叠五个层。例如、Pd层、钽层(Ta层)、V层、Ta层和Pd层可按所述次序堆叠。如上所述，质子或氢原子通过钒的速度高于质子或氢原子通过钯的速度。而且，钒的成本低于钯。然而，与钯相比，钒将氢分子分解成质子等的能力较差。因此，通过在V层的一个或两个表面上提供将氢分子分解为质子等的能力较高的Pd层，可以提高透氢率。在此情况下，通过在金属层之间提供金属扩散抑制层，可以抑制不同金属离子的扩散以及透氢率的降低。因此，可以抑制HMFC电动势的下降。
电解质层54由固体氧化物制成。可以在电解质层54与Pd层55之间的界面的至少一部上提供可抑制电解质层54中的氧原子与Pd反应的反应抑制层(参考图9的反应抑制层65)。反应抑制层描述在日本专利申请公开No.JP-A-2004-146337的第24-25段中。
电解质膜51包括可透氢的致密钒基材以及相邻HMFC 30的阴极形成的无机电解质层。因此，电解质膜可以制得较薄。通过采用这种构造，可以将通常操作温度较高的固体氧化物燃料电池(SOFC)的操作温度降至300-600℃的温度范围。结果，在根据本发明的燃料电池系统中，从HMFC 30排放的阴极废气可以直接供给至进行重整反应的每个PSR重整器。
当氢(H2)密度高的富氢气体供给至氢通道59b并且含氧(O2)空气供给至空气通道59a时，由方程(1)-(3)表示的电化学反应在HMFC30中进行(即，进行燃料电池反应)，并且将电力供给至HMFC 30外部。方程(1)表示阳极中的反应，方程(2)表示阴极中的反应，方程(3)表示HMFC 30中的总反应。
H2→2H++2e-(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O(2)
H2+(1/2)O2→H2O(3)
如图4所示，PSR重整器10A和20A(PSR装置1)、PSR重整器10B和20B(PSR装置2)、HMFC 30、泵P、阀V1-V12、V15-V25、注射装置15-26等电连接至控制装置150。控制装置150控制每个装置的操作时间。控制装置150对HMFC 30执行常规的操作控制以产生电力。即，控制装置150通过根据连接至HMFC 30的负荷量级(未示出)调节氢气和空气的量来控制HMFC 30的输出。而且，当燃料电池系统启动时，或在过渡时期，例如当HMFC 30上的负荷骤增时，控制装置150执行对每个PSR重整器的预热操作的控制。此外，控制装置150执行反应控制，以在常规操作中的重整反应与再生反应之间进行切换。
在本实施方式中，在打开点火开关之后，基于四个PSR重整器的已知热容，在四个PSR重整器中选择应当开始重整反应的PSR重整器。然后，根据温度传感器检测到的值，将汽油和空气供给至被选择的PSR重整器，并且在被选择的PSR重整器中进行燃烧反应，以预热PSR重整器。或者，重整反应在不加热PSR重整器的条件下在被选择的PSR重整器中开始。然后，开始常规操作，即在每个PSR装置的PSR重整器中交替进行重整反应和再生反应。
下文将详细描述由控制装置150执行的涉及重整反应的反应控制程序。图5示出了当燃料电池系统启动时基于热容和催化剂温度来控制重整反应的反应控制程序。
PSR重整器10A和10B的热容小于PSR重整器20A和20B。因此，PSR重整器10A和10B的温度比PSR重整器20A和20B的温度更快地达到重整开始温度。因此，当该程序开始时，首先在步骤S100，选择PSR重整器10A和10B，并且通过温度传感器分别检测PSR重整器10A中的催化剂温度t1和PSR重整器10B中的催化剂温度t3，并将其输入控制装置150。
接下来，在步骤S200中，确定催化剂温度t1是否已经达到重整开始温度T。在步骤S300中，确定催化剂温度t3是否已经达到重整开始温度T。
如果在步骤S200中确定催化剂温度t1未达到重整开始温度T，则需要将PSR重整器10A中的催化剂温度升至重整开始温度T。因此，在步骤S202中，开启阀V1和V5，并将汽油和空气供给至PSR重整器10A，以使燃烧反应在PSR重整器10A中进行，以预热PSR重整器10A。在此步骤中，也同时开启阀V15以预热HMFC 30。此外，同时开启阀V10和V20以预热PSR重整器20A。阀V2和V6、阀V9、阀V16和阀V19关闭。
在步骤S204中，再次确定催化剂温度t1是否由于燃烧已经达到重整开始温度T。如果确定催化剂温度t1已经达到重整开始温度T，则在步骤S206中关闭阀V5。接着，在步骤S208中，在PSR重整器10A中开始重整反应。同时，保持阀V1、阀V10、阀V15和阀V20开启。阀V2、阀V9、阀V6、阀V16和阀V19关闭。在PSR重整器20A中开始再生反应。
在步骤S300中，确定催化剂温度t3是否已经达到重整开始温度T。如果在步骤S300中确定催化剂温度t3未达到重整开始温度T，则需要将PSR重整器10B中的温度升至重整开始温度T。因此，在步骤S302中，开启阀V4和V7，并供给汽油和空气，以使燃烧反应在PSR重整器10B中进行以预热。在此步骤中，也同时开启阀V17以预热HMFC 30。此外，同时开启阀V12和V22以预热PSR重整器20A。阀V3、V8、V11、V18和V21关闭。
在步骤S304中，再次确定催化剂温度t3是否已经达到重整开始温度T。如果确定催化剂温度t3已经达到重整开始温度T，则在步骤S306中关闭阀V7。然后，在步骤S308中，在PSR重整器10B中开始重整反应。同时，保持阀V4、V12、V17和V22开启。阀V3、V11、V8、V18和V21关闭。在PSR重整器20B中开始再生反应。然后，此程序结束。
如果在步骤S204或S304中确定催化剂温度t1或t3未达到重整开始温度T，则通过燃烧继续加热PSR重整器10A或10B(即，继续预热操作)，直到催化剂温度t1或t3达到重整开始温度T。
如果在步骤S200中确定催化剂温度t1已经达到重整开始温度T，则确定在PSR重整器10A中可以开始重整反应。因此，在步骤S208中，在PSR装置1侧开启阀V1、V15、V20和V10，以使重整反应在PSR重整器10A中进行。而且，再生反应在PSR重整器20A中进行。如果在步骤S300中确定催化剂温度t3已经达到重整开始温度T，则确定在PSR重整器10B中可以开始重整反应。因此，在步骤S308中，在PSR装置2侧开启阀V4、V17、V22和V12，以使重整反应在PSR重整器10B中进行。而且，再生反应在PSR重整器20B中进行。然后，此程序结束。
在上述程序中，将在PSR重整器20A和20B中的再生反应所产生的气体分别通过排气管112和114排放到燃料电池系统外部。
如上所述，当燃料电池系统开启时，基于已知的热容和检测到的催化剂温度，重整反应在其中催化剂温度比其它PSR重整器更快地达到重整开始温度的PSR重整器中进行。而且，同时加热其中催化剂温度迅速达到重整开始温度的PSR重整器、其它PSR重整器和HMFC 30。因此，用于产生氢的重整反应可以在启动燃料电池系统后的短时间内开始。这极大地改善了氢气产生装置的启动能力。而且，在本实施方式中，多个PSR重整器间的热效率存在差异。因此，当所需的氢量骤增时，例如当HMFC上的负荷骤增时，可以迅速地产生足够的氢。
在重整反应和再生反应在PSR重整器中开始、并且程序如上述结束之后，开始常规操作。即，如上所述，首先，在PSR重整器10A和10B中开始重整反应，并在PSR重整器20A和20B中开始再生反应。保持阀V1、V15、V20、V10、V4、V17、V22和V12开启。因此，在供给管100与103之间、排气管116与氢供给管133之间以及供给管121与供给管125之间允许连通。而且，在供给管100与105之间、排气管118与氢供给管133之间以及供给管123与供给管126之间允许连通。反应物供给至PSR重整器10A和10B使得重整反应得以进行。而且，从HMFC 30排放的阳极废气(放热材料)被供给至PSR重整器20A和20B，以使再生反应进行。
由于燃烧反应在PSR重整器10A和10B中进行以预热(进行预热操作)，在重整反应开始之前，热量已在PSR重整器10A和10B中提高。因此，当反应物从每个注射装置15和19注射至催化剂12时，使用汽油进行蒸汽重整反应，从而产生合成气体(富氢气体)。优选地，重整反应在300-1100℃的温度下进行。
提前将重整反应如此产生的富氢气体在各自的无催化剂区11A中冷却。PSR重整器10A的无催化剂区11A连接至排气管116，PSR重整器10B的无催化剂区11A连接至排气管118。然后，富氢气体通过连接至排气管116和118的氢供给管133供给至HMFC 30的阳极。此时，空气通过设置在HMFC 30阴极侧的空气供给管135供给。因此，HMFC产生电力(即，进行燃料电池反应)。在消耗供给的富氢气体以产生电力之后，阳极废气排放至排气管134。然后，阳极废气通过供给管125和126以及供给管121和123，并从注射装置24和26注射。阳极废气主要包含未在燃料电池反应中使用的氢以及CO和CH4。
此时，用于燃烧的阳极废气的量可以较小。在此情况下，无法存储足够的热量，或者无法在短时间内存储热量。因此，可以改变阀V23的状态和/或阀V24的状态，以使外部供给管140与供给管125之间和/或外部供给管141与供给管126之间连通。结果，可以额外供给汽油、氢气等。因此，当阴极废气中的水蒸气量较小时，例如当燃料电池系统启动时，当燃料电池在低负荷下操作时，或当HMFC 30上的负荷骤增时，可以通过燃烧即刻存储足够的热量。
类似地，通过改变阀V23的状态和/或阀V24的状态，通过空气供给管142和/或143供给易于燃烧阳极废气中的氢等物质的空气。
当阳极废气从注射装置24和26供给至PSR重整器20A和20B时，在各自的催化剂12上燃烧氢等物质，从而提高通过燃烧存储的热量，即，可以提高PSR重整器20A和20B中的催化剂温度。如上所述，在再生反应进行之前，被供给阳极废气等的PSR重整器20的无催化剂区11A的温度已经通过重整反应提高。因此，当再生反应进行时，热量由于与被供给的阳极废气等热交换被返回至催化剂12。即，可以有效地使用热量。
在存储的热量减少(即，催化剂温度降低)并因而使产生氢的效率在其中进行重整反应的PSR重整器10A和10B中的至少一个中降低的情况下，根据每个PSR重整器10A和10B中存储的热量下降，执行以下控制。将PSR重整器10A中的重整反应切换为再生反应，并将PSR重整器20A中的再生反应切换为重整反应。而且，将PSR重整器10B中的重整反应切换为再生反应，并将PSR重整器20B中的再生反应切换为重整反应。
更具体地，关闭阀V1、V15、V20和V10，并开启PSR装置1侧的阀V2、V16、V19和V9。结果，在供给管100与供给管104之间、排气管117与氢供给管133之间以及供给管120与供给管125之间允许连通。而且，关闭阀V4、V17、V22和V12，并开启PSR装置2侧的阀V3、V18、V21和V11。结果，在供给管100与供给管106之间、排气管119与氢供给管133之间以及供给管122与供给管126之间允许连通。
此时，反应物供给至PSR重整器20A和20B以进行重整反应。从HMFC 30排放的阳极废气供给至PSR重整器10A和10B以进行再生反应。在PSR装置1和PSR装置2中，可以同时或独立地在重整反应与再生反应之间彼此切换。
在重整反应与再生反应以上述方式彼此切换的情况下，在重整反应在每个PSR重整器20A和20B中进行之前，存储的热量已经由于再生反应而增加。因此，当反应物通过供给管104和106并从注射装置18和21注射至各自的催化剂12时，使用汽油在各自的催化剂12上进行蒸汽重整反应，从而产生合成气体(富氢气体)。优选地，如上所述，重整反应在300-1100℃的温度下进行。提前将PSR重整器20A和20B的重整反应如此产生的富氢气体在各自的无催化剂区11A中冷却。PSR重整器20A的无催化剂区11A连接至排气管117，PSR重整器20B的无催化剂区11A连接至排气管119。然后，富氢气体通过连接至排气管117和119的氢供给管133供给至HMFC 30的阳极。而且，空气从空气供给管135供给。因此，HMFC 30产生电力(即，进行燃料电池反应)。在消耗供给的富氢气体以产生电力之后，阳极废气排放至排气管134。然后，阳极废气通过供给管125和126以及供给管120和122，并从注射装置23和25注射。
如上所述，可以改变阀V23的状态和/或阀V24的状态，以使外部供给管140与供给管125之间和/或外部供给管141与供给管126之间连通。结果，可以额外供给汽油、氢气等。类似地，通过改变阀V23的状态和/或阀V24的状态，通过空气供给管142和/或143供给用于燃烧阳极废气中的氢等物质的空气。
阳极废气从注射装置23和25供给至PSR重整器10A和10B，并且氢等物质在各自的催化剂12上燃烧，从而可以再次增加通过燃烧存储的热量，即可以再次提高PSR重整器10A和10B中的催化剂温度。如上所述，在再生反应进行之前，被供给阳极废气等的PSR重整器10A和10B的无催化剂区11A的温度已经通过重整反应提高。因此，当再生反应进行时，热量由于与被供给的阳极废气等热交换被返回至催化剂12。即，可以有效地使用热量。
在上述实施方式中，在常规操作开始之后，可以执行控制以使重整反应在PSR重整器20A和20B中进行，并且例如在过渡时期(例如，当HMFC30上的负荷骤增时)，重整反应也在重整器10A和10B中暂时进行以提高重整反应所产生的氢量。
而且，在上述实施方式中，PSR重整器10A与PSR重整器20A配对，PSR重整器10B与PSR重整器20B配对。重整反应与再生反应在每个配对PSR重整器中交替进行。当重整反应在配对PSR重整器之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。然而，热容大于PSR重整器10A和10B的热容的PSR重整器20A和20B可以彼此配对。在此情况下，当重整反应在PSR重整器20A和20B之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。PSR重整器10A和10B可以彼此配对，以使当重整反应在PSR重整器10A和10B之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。或者，可以停止PSR重整器10A和10B的操作。
在此实施方式中，第一PSR重整器10A与第二PSR重整器20A配对，第三PSR重整器10B与第四PSR重整器20B配对。然而，可以在不配对重整器的情况下执行控制。例如，当燃料电池系统启动时，重整反应可以在其中催化剂温度最快达到重整开始温度的一个PSR重整器中进行，再生反应可以在其它三个PSR重整器中进行。
将参考图6描述根据第二种实施方式的燃料电池系统。在第二种实施方式中，当燃料电池系统启动时，基于已知的PSR重整器热容，在不使用温度传感器检测值的条件下，选择其中应当开始重整反应的PSR重整器，并且在被选择的PSR重整器中强制开始重整反应。
用于第一种实施方式的反应物和放热材料也可以用于第二种实施方式。与第一种实施方式相同和相应的部件将由相同的参考标号表示，并且省略这些部件的详细描述。
在此实施方式中，在打开点火开关之后，汽油和空气被选择性地和自动地供给至热容小于PSR重整器20A和20B的热容的PSR重整器10A和10B。在PSR重整器10A和10B中强制进行燃烧以预热之后，重整反应在PSR重整器10A和10B中开始。
图6示出了当燃料电池系统启动时基于热容来控制重整反应的反应控制程序。在热容小于PSR重整器20A和20B的热容的PSR重整器10A和10B中，通过预热，催化剂温度比PSR重整器20A和20B更快地达到重整开始温度。因此，当此程序开始时，首先在步骤S400中，开启PSR装置1侧的阀V1和V5以及PSR装置2侧的阀V4和V7，并将汽油和空气强制供给至PSR重整器10A和10B。结果，使用汽油进行燃烧反应，并开始PSR重整器10A和10B的加热(预热)。
与此同时，开启阀V15和V17以预热HMFC 30。此外，开启阀V10和V20以及阀V12和V22，以预热PSR重整器20A和20B。
接下来，在步骤S402中，确定温度传感器所检测的PSR重整器10A中的催化剂12的温度t1是否已经达到重整开始温度T(t1≥T)。而且，在步骤S408中，确定PSR重整器10B中的催化剂12的温度t3是否已经达到重整开始温度T(t3≥T)。
如果在步骤S402中确定催化剂12的温度t1已经达到重整开始温度T，则确定重整反应可以在PSR重整器10A中开始。因此，在步骤S404中，阀V5关闭。接着，在步骤S406中，改变阀的状态，以使重整反应在PSR装置1的PSR重整器10A中进行，并且再生反应在PSR重整器20A中进行。更具体地，阀V5关闭。此时，保持阀V1开启。
如果在步骤S408中确定催化剂的温度t3已经达到重整开始温度T，则确定重整反应可以在PSR重整器10B中开始。因此，在步骤S410中，阀V7关闭。接着，在步骤S412中，改变阀的状态，以使重整反应在PSR装置2的PSR重整器10B中进行，并且再生反应在PSR重整器20B中进行。更具体地，阀V7关闭。此时，保持阀V4开启。然后，程序结束。
如果在步骤S402或步骤S408中确定催化剂温度t1或t3未达到重整开始温度T，则确定重整反应无法在PSR重整器10A或10B中进行。因此，通过燃烧持续加热PSR重整器10A或10B(即，持续预热操作)，直到催化剂温度t1或t3达到重整开始温度T。
在此实施方式中，当燃料电池系统开启时，催化剂的初始温度未被检测，并且通过将汽油和空气供给至PSR重整器10A和10B，在PSR重整器10A和10B中强制开始预热操作。因此，用于产生氢的重整反应可以在燃料电池系统启动后很快进行。这极大地改善了氢气产生装置的启动能力。
在重整反应或再生反应在每个PSR重整器中开始之后，如第一种实施方式所述开始常规操作。
在本实施方式中，在常规操作开始之后，可以执行控制以使重整反应在PSR重整器20A和20B中进行，并且例如在过渡时期(例如，当HMFC 30上的负荷骤增时)，重整反应也在重整器10A和10B中暂时进行以提高重整反应所产生的氢量。而且，与第一种实施方式中相同，热容大于PSR重整器10A和10B的热容的PSR重整器20A和20B可以彼此配对。在此情况下，当重整反应在PSR重整器20A和20B之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。
而且，在此实施方式中，第一PSR重整器10A与第二PSR重整器20A配对，第三PSR重整器10B与第四PSR重整器20B配对。然而，可以在不配对重整器的情况下执行控制。例如，当燃料电池系统启动时，重整反应可以在其中催化剂温度最快达到重整开始温度的一个PSR重整器中进行，再生反应可以在其它三个PSR重整器中进行。
将参考图7描述根据第三种实施方式的燃料电池系统。在此实施方式中，当燃料电池系统启动时，基于温度传感器检测到的值，不考虑已知的PSR重整器热容，选择其中应当开始重整反应的PSR重整器，并且在被选择的PSR重整器中开始重整反应。
用于第一种实施方式的反应物和放热材料也可以用于第三种实施方式。与第一种实施方式相同和相应的部件将由相同的参考标号表示，并且省略这些部件的详细描述。
在此实施方式中，在打开点火开关之后，检测全部四个PSR重整器中的催化剂温度(t1、t2、t3和t4)，优先选择其中催化剂温度已经迅速达到重整开始温度的PSR重整器，并且在被选择的PSR重整器中进行重整反应。
图7示出了当燃料电池系统启动时基于催化剂温度来控制重整反应的反应控制程序。当执行程序时，在步骤S500中将全部PSR重整器中的催化剂温度t1、t2、t3和t4输入控制装置150。
在步骤S502中，在输入控制装置150的催化剂温度(t1、t2、t3和t4)的基础上，确定其中温度已经达到重整开始温度T的PSR重整器的总数(∑n)。
如果在步骤S502中确定总数(∑n)小于2，则确定PSR重整器10A或10B中的催化剂温度(t1或t3)已经达到重整开始温度T，或者所有PSR重整器中的催化剂温度均为达到重整开始温度T。因此，在步骤S504中，确定总数(∑n)是否为0或1。如果在步骤S504中确定总数(∑n)为1，程序进行到步骤S506。在步骤S506中，改变阀的状态来调整管的设置，以使重整反应首先在其中催化剂温度已经达到重整开始温度T的PSR重整器中进行。例如，如果PSR重整器10A中的催化剂温度t1已经达到重整开始温度T(t1≥T)，则开启阀V1、V15、V20和V10以开始重整反应。
在此情况下，四个PSR重整器中只有一个重整器中的催化剂温度已经达到重整开始温度T(例如，PSR重整器10A)。因此，进行步骤S508。
如果在步骤S504中确定总数(∑n)为0，则在步骤S508中加热全部四个PSR重整器，以使两个PSR重整器中的催化剂温度达到重整开始温度T。更具体地，开启阀V1-V4以及阀V5-V8，并将汽油和空气供给至所有PSR重整器10A、10B、20A和20B。在所有PSR重整器10A、10B、20A和20B进行燃烧反应以预热。此时，还开启阀V15-V18，以从PSR重整器排放燃烧气体并加热HMFC 30。
如果当全部四个PSR重整器加热时，来自HMFC 30的阳极废气未被充分加热，则开启阀V25，以使阳极废气不是被引入PSR重整器。而是将阳极废气从由排气管134延伸的排气管137排放。
如果在步骤S504中确定总数(∑n)为1，则在步骤S508中加热其中催化剂温度未达到重整开始温度T的另外三个PSR重整器，以使这三个PSR重整器中的一个重整器的催化剂温度达到重整开始温度T。在此情况下，以上述方式开启到这三个PSR重整器的供给通道，以使燃烧反应在这三个PSR重整器中进行以预热PSR重整器。例如，如果催化剂温度t1已经达到重整开始温度(t1≥T)，则开启阀V2-V4以及阀V6-V8，以将汽油和空气供给至PSR重整器10B、20A和20B。燃烧反应在PSR重整器10B、20A和20B中进行以预热PSR重整器。
接下来，在步骤510中，将PSR重整器中的催化剂温度再次输入控制装置150(如果总数(∑n)为0，则将全部四个PSR重整器中的催化剂温度输入控制装置150；如果总数(∑n)为1，则将其余三个PSR重整器中还未达到重整开始温度的催化剂温度输入控制装置150)。在步骤S512中，基于输入控制装置150的催化剂温度，确定其中催化剂温度已经达到重整开始温度T的PSR重整器的总数(∑n)。
如果在步骤S512中确定总数(∑n)为2或更大。则在步骤8514中以下述方式控制阀来打开供给通道。即，控制阀以将反应物供给至其中催化剂温度已经达到重整开始温度T的至少两个PSR重整器。而且，控制阀以将阳极废气供给至其中催化剂温度未达到重整开始温度T的PSR重整器。如果在步骤S502中确定总数(∑n)为2或更大，则以此方式控制阀。
例如，(i)当在步骤S504中确定总数(∑n)为0、并且在步骤S512中确定PSR重整器10A和10B中的催化剂温度t1和t3均已达到重整开始温度T(t1，t3≥T)时，以及(ii)当总数(∑n)为1、并且在步骤S504中确定PSR重整器10B中的催化剂温度t3已经达到重整开始温度T(t3≥T)时，开启阀V1、V15、V20和V10，并且开启阀V4、V17、V22和V12。结果，重整反应在PSR重整器10A和10B中进行，再生反应在PSR重整器20A和20B中进行。
如果在步骤S512中确定总数(∑n)小于2，则持续预热直到确定总数(∑n)为2或更大。
如上所述，在当燃料电池系统开启时进行重整反应的情况下，可以基于设置在PSR重整器中的温度传感器检测的值，根据燃料电池系统的操作状态来开始重整反应。例如，燃料电池系统可在其停止之后立即恢复(即，燃料电池系统可在催化剂温度还未明显降低时重新启动)。因此，用于产生氢的重整反应可以在燃料电池系统启动后的短时间内开始。这极大地改善了氢气产生装置的启动能力。
在重整反应或再生反应在每个PSR重整器中开始之后，如第一种实施方式所述开始常规操作。例如，当存储的热量减少时，即催化剂温度降低并因此使PSR重整器10A和/或PSR重整器10B中的重整反应所产生氢的效率下降时，根据每个PSR重整器10A和10B中存储的热量的减少量来执行下述控制(i)和/或控制(ii)。在控制(i)中，将PSR重整器10A中的重整反应切换为再生反应，并将PSR重整器20A中的再生反应切换为重整反应。在控制(ii)中，将PSR重整器10B中的重整反应切换为再生反应，并将PSR重整器20B中的再生反应切换为重整反应。
在本实施方式中，在常规操作开始之后，可以执行控制以使重整反应在PSR重整器20A和20B中进行，并且例如在过渡时期(例如，当HMFC 30上的负荷骤增时)，重整反应也在重整器10A和10B中暂时进行以提高重整反应所产生的氢量。而且，与第一种实施方式中相同，热容大于PSR重整器10A和10B的热容的PSR重整器20A和20B可以彼此配对。在此情况下，当重整反应在PSR重整器20A和20B之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。
如第一种实施方式所述，控制可以在不将第一PSR重整器10A与第二PSR重整器20A配对以及不将第三PSR重整器10B与第四PSR重整器20B配对的条件下进行。例如，当燃料电池系统启动时，重整反应可以在其中催化剂温度最快达到重整开始温度的一个PSR重整器中进行，再生反应可以在其它三个PSR重整器中进行。
将参考图8描述根据本发明的第四种实施方式的燃料电池系统。在第一种实施方式中，形成两对PSR重整器，以使每一对包括具有不同热容的两个PSR重整器。而在本实施方式中，形成两对PSR重整器，以使每一对包括具有基本相同的热容的两个PSR重整器。
用于第一种实施方式的反应物和放热材料也可以用于第四种实施方式。与第一种实施方式相同和相应的部件将由相同的参考标号表示，并且省略这些部件的详细描述。
如图8所示，根据本发明的氢气产生装置具有催化剂和注射装置。氢气产生装置包括PSR装置1、PSR装置2和HMFC 30。PSR装置1包括第一PSR重整器(PSR1)10A和第三PSR重整器(PSR3)10B。PSR装置2包括第二PSR重整器(PSR2)20A和第四PSR重整器(PSR4)20B。重整反应和再生反应在第一PSR重整器(PSR1)10A和第三PSR重整器(PSR3)10B的每个中交替进行。当重整反应在第一PSR重整器(PSR1)10A和第三PSR重整器(PSR3)10B之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。重整反应和再生反应在第二PSR重整器(PSR2)20A和第四PSR重整器(PSR4)20B的每个中交替进行。当重整反应在第二PSR重整器(PSR2)20A和第四PSR重整器(PSR4)20B之一中进行时，再生反应在另一个PSR重整器中进行。每个PSR重整器所产生的氢被供给至HMFC 30，以使HMFC 30可以产生电力。在连接至重整器和HMFC 30的通道中设置阀。阀起到切换装置的作用，通过控制装置对其进行控制，以在重整器或HMFC 30的通道之间自动改变连接。
PSR装置1和PSR装置2具有相同的构造。第一PSR重整器10A的热容“p”基本上等于第三PSR重整器10B的热容“r”。第二PSR重整器20A的热容“q”基本上等于第四PSR重整器20B的热容“s”。PSR重整器10A和10B的热容小于PSR重整器20A和20B的热容(p，r＜q，s)。
因此，在所有重整器被加热的情况下，PSR装置1的温度比PSR装置2的温度更快地达到重整开始温度。因此，重整反应首先在PSR装置1中进行。
管线设置、燃料电池启动后的操作以及富氢气体、阳极废气等的供给和排放与第一种实施方式相同。
在此实施方式中，当HMFC 30上的负荷增大并且HMFC 30中所需的氢量骤增时，可以通过使用诸如电加热器之类的加热器来加热每个催化剂。在此情况下，电加热器等设置在每个PSR重整器中的催化剂12附近，并且进行重整反应的每个重整器中通过开启电加热器等来直接加热催化剂。当需要迅速提高重整反应速率，以及需要在短期内在重整反应与再生反应之间进行切换时，直接加热催化剂是有效的。
例如电加热器的加热器可以选择性地设置在每个PSR重整器中温度最高的催化剂区域。重整反应在温度最高的区域进行得最快。即，反应速度并不依赖于温度线性变化。重整反应的速率在高温下急剧增大。采用这种构造，对通过加热促进反应作用不大的区域并不过多地加热。这提高了热能效率。
在根据本发明的燃料电池系统中，可以根据用途等因素从氢膜燃料电池(HMFC)中选择燃料电池，所述HMFC包括电解质膜，在此将电解质层设置在致密可透氢金属膜(层)的至少一个表面上。HMFC可以是质子导电固体氧化物燃料电池或质子交换膜燃料电池。
例如，可以使用包括电解质膜、氢电极、氢供给部分、氧电极和氧化剂气体供给部分的HMFC(1)。在HMFC(1)中，电解质膜包括可透氢金属层和无机电解质层(特别是质子导电陶瓷层)，所述电解质层设置在可透氢金属层的至少一个表面上。氢电极设置在电解质膜的一个表面上。氢供给部分将氢供给至氢电极。氧电极设置在电解质膜的另一个表面上。氧化剂气体供给部分将氧化剂气体供给至氧电极。或者，可以使用包括电解质膜、氢电极、氢供给部分、氧电极和氧化剂气体供给部分的HMFC(2)。在HMFC(2)中，电解质膜包括质子导电电解质层和可透氢金属层。所述质子导电电解质层设置在可透氢金属层之间。氢电极设置在电解质膜的一个表面上。氢供给部分将氢供给至氢电极。氧电极设置在电解质膜的另一个表面上。氧化剂气体供给部分将氧化剂气体供给至氧电极。
图9和图10示出了根据本发明的燃料电池系统的HMFC的其它实例。HMFC的实例详细描述在日本专利申请公开No.JP-A-2004-146337中。
图9示出了包括电解质膜61、氧电极(O2电极)62和氢电极(H2电极)63的HMFC 60。HMFC 60还包括金属扩散抑制层67和反应抑制层65。电解质膜61具有五层结构，并包括由钒(V)制成的致密基材66。电解质膜61设置在氧电极(O2电极)62与氢电极(H2电极)63之间。在电解质膜61中，致密金属扩散抑制层67和钯(Pd)层68以所述次序设置在基材66的朝向氢电极(阳极)63的表面上。而且，致密反应抑制层65(例如，质子导体层、混合导体层或绝缘体层)和由固体氧化物制成的薄电解质层64(例如，金属氧化物SrCeO3(钙钛矿的一种)层)以所述次序设置在基材66的朝向氧电极(阴极)62的表面上。反应抑制层65抑制电解质层64中的氧原子与基材(V)66之间反应。如上述实施方式，在电解质膜与氧电极之间以及电解质膜与氢电极之间分别形成空气通道59a和氢通道59b。如上所述，金属扩散抑制层和反应抑制层详细描述在上述文献中。
图10示出了包括电解质膜71、氧电极(O2电极)72和氢电极(H2电极)73的HMFC 70。电解质膜71设置在氧电极(O2电极)72与氢电极(H2电极)73之间。电解质膜71具有多层结构，并包括致密可透氢金属层。例如，在电解质膜71中，电解质层76设置在致密可透氢金属层之间。电解质层76由固体聚合物膜(例如，Nafion膜)构成。钯(Pd)层(致密层)77设置在电解质层76的朝向氢电极(阳极)的表面上。充当基材的钒镍(V-Ni)层(致密层)75以及Pd层(致密层)74设置在电解质层76的朝向氧电极(阴极)的表面上。如上述实施方式，在电解质膜71与氧电极之间以及电解质膜71与氢电极之间分别形成空气通道59a和氢通道59b。而且在此HMFC中，金属扩散抑制层可以提供在V-Ni层75与Pd层74之间。而且，反应抑制层可以设置在电解质层76与V-Ni层75或Pd层77之间。
在图10所示的质子交换膜HMFC中，可以在可透氢金属层之间设置含水电解质层。采用此构造，可以抑制高温下水从电解质层的蒸发以及膜电阻的增加。可以将通常较低的质子交换膜燃料电池(PEFC)的操作温度升至300-600℃。这种燃料电池适用于根据本发明的其中燃料电池排放的阴极废气被直接供给至应当进行反应的PSR重整器的燃料电池系统。
在上述实施方式中，使用汽油蒸汽与水蒸气的混合物作为反应物。然而，也可以使用非汽油的烃燃料。

Claims (20)

1.一种氢气产生装置，其特征在于，包括：
多个重整器(10A，10B，20A，20B)，其中每个均包括催化剂(12)，在每个所述重整器中，使用反应物经所述催化剂(12)进行重整反应，并且使用放热材料进行放热反应以加热所述催化剂(12)；
切换装置(V1-V12，V15-V25)，用于在将所述反应物供给到所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)的供给通道之间进行切换，并且在将所述放热材料供给到所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)的供给通道之间进行切换；和
切换控制装置(150)，用于控制所述切换装置(V1-V12，V15-V25)以在所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)中选择至少一个重整器，在所述至少一个重整器中，所述催化剂(12)的温度达到能够进行所述重整反应的重整开始温度，并且在所述重整反应开始的情况下将所述反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。
2.如权利要求1所述的氢气产生装置，其特征在于，还包括：
温度检测装置(27)，用于检测每个所述重整器(10A，10B，20A，20B)中的所述催化剂(12)的温度；和
判定装置(150)，用于确定由所述温度检测装置(27)检测到的所述催化剂(12)的温度是否已达到所述重整开始温度，其中，如果所述判定装置(150)确定至少一个重整器中的所述催化剂(12)的温度已达到所述重整开始温度，则所述切换控制装置(150)控制所述切换装置(V1-V12，V15-V25)，以使其中所述催化剂(12)的温度被确定已达到所述重整开始温度的所述至少一个重整器被选择。
3.如权利要求1或2所述的氢气产生装置，其中所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)包括具有第一热容的重整器和具有第二热容的重整器，其中所述第二热容大于所述第一热容；并且所述切换控制装置(150)控制所述切换装置(V1-V12，V15-V25)，以使所述具有第一热容的重整器被选择。
4.如权利要求1或2所述的氢气产生装置，其中所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)包括至少一对具有小于或等于预定热容的热容的重整器以及至少一对具有大于所述预定热容的热容的重整器；并且所述切换控制装置(150)控制所述切换装置(V1-V12，V15-V25)，以使所述至少一对具有小于或等于所述预定热容的热容的重整器被选择，并且将所述反应物供给到被选择的重整器对中的至少一个重整器。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的氢气产生装置，其中所述切换装置(V1-V12，V15-V25)在供给含氧气体的供给通道之间进行切换；并且所述切换控制装置(150)控制所述切换装置(V1-V12，V15-V25)，以在至少一个重整器被选择之前将所述反应物和所述含氧气体供给到所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)。
6.如权利要求1-4中任何一项所述的氢气产生装置，其中所述切换控制装置(150)在所述氢气产生装置启动时运行。
7.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-6中任何一项所述的氢气产生装置；和
使用由所述氢气产生装置产生的含氢气体来产生电力的燃料电池。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池包括在可透氢金属层的至少一个表面上提供电解质层的电解质膜。
9.一种控制氢气产生装置的方法，其特征在于，包括：
确定多个重整器(10A，10B，20A，20B)中的每个重整器中的催化剂(12)的温度是否已达到能进行重整反应的重整开始温度；
在所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)中选择所述催化剂的温度已达到所述重整开始温度的至少一个重整器；和
将反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。
10.一种氢气产生装置，其特征在于，包括：
多个重整器(10A，10B，20A，20B)，其中每个均包括催化剂(12)，在每个所述重整器中，当供给反应物时，使用所述反应物经所述已被加热的催化剂(12)进行重整反应，并且当供给放热材料时，使用所述放热材料进行放热反应以加热所述催化剂(12)；
切换装置(V1-V12，V15-V25)，用于在将所述反应物供给到所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)的供给通道之间进行切换，并且在将所述放热材料供给到所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)的供给通道之间进行切换；和
切换控制装置(150)，用于控制所述切换装置(V1-V12，V15-V25)以在所述多个重整器(10A，10B，20A，20B)中选择至少一个重整器，在所述至少一个重整器中，所述催化剂(12)的温度达到能够进行所述重整反应的重整开始温度，并且在所述重整反应开始的情况下将所述反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。
11.一种氢气产生装置，其特征在于，包括：
多个重整器，其中每个均包括催化剂，在每个所述重整器中，使用反应物经所述已被加热的催化剂进行重整反应，并且使用放热材料进行放热反应以加热所述催化剂；
切换部分，用于在将所述反应物供给到所述多个重整器的供给通道之间进行切换，并且在将所述放热材料供给到所述多个重整器的供给通道之间进行切换；和
切换控制部分，用于控制所述切换部分以在所述多个重整器中选择至少一个重整器，在所述至少一个重整器中，所述催化剂的温度达到能够进行所述重整反应的重整开始温度，并且在所述重整反应开始的情况下将所述反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。
12.如权利要求11所述的氢气产生装置，其特征在于，还包括：
温度检测部分，用于检测每个所述重整器中的所述催化剂的温度；和
判定部分，用于确定由所述温度检测部分检测到的所述催化剂的温度是否已达到所述重整开始温度，其中，如果所述判定部分确定至少一个重整器中的所述催化剂的温度已达到所述重整开始温度，则所述切换控制部分控制所述切换烦不烦，以使其中所述催化剂的温度被确定已达到所述重整开始温度的所述至少一个重整器被选择。
13.如权利要求11或12所述的氢气产生装置，其中所述多个重整器包括具有第一热容的重整器和具有第二热容的重整器，其中所述第二热容大于所述第一热容；并且所述切换控制部分控制所述切换部分，以使所述具有第一热容的重整器被选择。
14.如权利要求11或12所述的氢气产生装置，其中所述多个重整器包括至少一对具有小于或等于预定热容的热容的重整器以及至少一对具有大于所述预定热容的热容的重整器；并且所述切换控制部分控制所述切换部分，以使所述至少一对具有小于或等于所述预定热容的热容的重整器被选择，并且将所述反应物供给到被选择的重整器对中的至少一个重整器。
15.如权利要求11-14中任何一项所述的氢气产生装置，其中所述切换部分在供给含氧气体的供给通道之间进行切换；并且所述切换控制部分控制所述切换部分，以在至少一个重整器被选择之前将所述反应物和所述含氧气体供给到所述多个重整器。
16.如权利要求11-14中任何一项所述的氢气产生装置，其中所述切换控制部分在所述氢气产生装置启动时运行。
17.一种燃料电池系统，包括：
如权利要求11-16中任何一项所述的氢气产生装置；和
使用由所述氢气产生装置产生的含氢气体来产生电力的燃料电池。
18.如权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池包括在可透氢金属层的至少一个表面上提供电解质层的电解质膜。
19.一种控制氢气产生装置的方法，包括：
确定多个重整器中的每个重整器中的催化剂的温度是否已达到能进行重整反应的重整开始温度；
在所述多个重整器中选择所述催化剂的温度已达到所述重整开始温度的至少一个重整器；和
将反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。
20.一种氢气产生装置，包括：
多个重整器，其中每个均包括催化剂，在每个所述重整器中，当供给反应物时，使用所述反应物经所述已被加热的催化剂进行重整反应，并且当供给放热材料时，使用所述放热材料进行放热反应以加热所述催化剂；
切换部分，用于在将所述反应物供给到所述多个重整器的供给通道之间进行切换，并且在将所述放热材料供给到所述多个重整器的供给通道之间进行切换；和
切换控制部分，用于控制所述切换部分以在所述多个重整器中选择至少一个重整器，在所述至少一个重整器中，所述催化剂的温度达到能够进行所述重整反应的重整开始温度，并且在所述重整反应开始的情况下将所述反应物供给到被选择的所述至少一个重整器。
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