JP2006248806A

JP2006248806A - 水素燃料供給システム及び燃料電池システム

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Publication number: JP2006248806A
Application number: JP2005064446A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Aoki; 博史青木; Takashi Shimazu; 孝志満津; Hiroyuki Mitsui; 宏之三井; Satoru Iguchi; 哲井口; Kenji Kimura; 憲治木村
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】水素燃料供給システムを備え出力増大要求に対する応答性が良好な燃料電池システムを得る。
【解決手段】燃料電池システム１０の水素燃料供給システム１２では、切換装置２０の第１状態において、第１反応器１８Ａに炭化水素原料及び水蒸気が供給されて改質工程が行われ、該改質工程で生成された水素含有燃料ガスは燃料電池１４に供給されて消費される。燃料電池のアノードオフガス出口１４Ｂから排出されたアノードオフガスが再生用ガスとして導入された第２反応器１８Ｂは、この再生用ガスを燃焼させることで、改質工程を行うための昇温・蓄熱すなわち再生工程を行う。切換装置の第２状態への切り換えによって、第１反応器が再生工程を行い、第２反応器が改質工程を行う状態に切り換わる。燃料電池の発電量を増加する際には、バルブＶ１２を開放して、改質工程を行う反応器１８に作動ガスとしてアノードオフガスを導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池に水素を含有する燃料ガスを供給するための水素燃料供給システム、及び該水素燃料供給システムを備えた燃料電池システムに関する。

例えば水素を含有する燃料ガスを燃料電池に供給する水素燃料供給システムとして、炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成する改質工程と、再生用ガスを触媒燃焼することで改質工程で低下した触媒温度を上昇させる再生工程とを交互に繰り返すバッチ式炭化水素改質を行うシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この文献記載のシステムでは、改質工程と再生工程とを行い得る一対の反応器を備えており、一方の反応器が改質工程を行っている間に他方の反応器が再生工程を行うことで、バッチ式に炭化水素改質を行いながら水素含有ガスを連続的に燃料電池に供給するようになっている。
米国特許出願公開２００４／０１７５３２６Ａ１明細書

ところで、燃料電池の負荷（発電量）を増大する際には、燃料電池への水素供給量を増加する。しかしながら、上記のような従来の技術では、炭化水素燃料及び水蒸気の流量が小さい低発電量状態から発電量増加分に応じてこれらの流量を増加しても、生成される水素含有ガス量は直ちに増加することがなく、燃料供給量の増加が発電量の増加要求に対し追従することができず遅れを生じてしまう問題があった。このため、この水素燃料供給システムが適用された燃料電池システムとしては、発電量の増加要求に対する応答性が悪かった。

本発明は、上記事実を考慮して、水素供給量の増加要求に対する応答性が良好な水素燃料供給システムを得ることが目的である。また、本発明は、上記水素燃料供給システムを備え、出力増大要求に対する応答性が良好な燃料電池システムを得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る水素燃料供給システムは、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な複数の反応器と、一つの前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを水素消費装置に供給させると共に、他の前記反応器に前記一つの反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給しつつ再生排ガスを排出させる第１の状態と、前記一つの反応器とは別の反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給させると共に、前記一つの反応器に前記他の反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、前記第１の状態と第２の状態とを含む複数の状態を所定の順序で生じさせるように前記切換装置を切り換えると共に、前記水素消費装置への水素供給量の増加要求があった場合には、前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に該反応器内の燃料ガスを前記水素消費装置側に押し出すための作動ガスが導入されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、を備えている。

請求項１記載の水素燃料供給システムでは、一つの反応器が改質工程を行っているときに他の反応器が再生工程を行い（第１の状態）、上記一つの反応器が再生工程を行っているときには別の反応器が改質工程を行う（第２の状態）。反応器の数が２つである場合には、他の反応器と別の反応器とは同一の反応器である。改質工程で生成された水素含有の燃料ガスは、水素消費装置に供給されて消費される。また、この燃料ガスのうち、水素消費装置で消費されない成分（水素消費装置から回収したものでも良く、水素消費装置への導入前に分離したのもでも良い）は、再生用ガスとして再生工程を行う反応器に供給される。以上により、水素消費装置に対して連続的に水素含有の燃料ガスを供給することができる。

そして、水素消費装置への水素供給量の増加要求があった場合には、制御装置は、切換装置を切り換えて改質工程を行っている反応器に作動ガスを導入させることで、該反応器内の燃料ガスを水素消費装置側に押し出させる。これにより、改質工程への原料供給量増加に伴う燃料ガスの生成量増加を待つことなく、改質工程を行う反応器内に滞留していた燃料ガスすなわち水素が水素消費装置に供給され、水素供給量の増加要求に迅速に応じることができる。

このように、請求項１記載の水素燃料供給システムでは、水素供給量の増加要求に対する応答性が良好である。

請求項２記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項１記載の水素燃料供給システムにおいて、前記切換装置は、前記水素消費装置の排出ガスを導入するためのガス導入路を有し、前記制御装置は、前記水素消費装置の排出ガスが、前記ガス導入路から前記作動ガスとして前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に導入されるように、前記切換装置を切り換える。

請求項２記載の水素燃料供給システムでは、水素消費装置への水素供給量の増加要求があった場合には、制御装置は、切換装置を切り換えて、改質工程を行っている反応器に対し作動ガスとして水素消費装置の排出ガスを導入させることで、該反応器内の燃料ガスを水素消費装置側に押し出させる。このように、水素消費装置の排出ガスを水素供給量の増加時に作動ガスとして利用する構成であるため、システム外から作動ガスを導入する必要がないため、構成がシンプルになる。

また、水素消費装置の排出ガスが未使用の水素を含有する場合には、該水素を反応器経由で水素消費装置に循環することができ、該水素消費装置への水素供給量を一層迅速に増加することができる。さらに、改質工程における改質反応が水蒸気改質反応を含む場合には、水素消費装置の排出ガス（燃料ガスから水素（の一部）が消費されたガス）には水蒸気が含まれるため、作動ガスの供給によって改質原料と反応する水蒸気の供給量が増加されて改質工程での燃料ガス生成量を短時間で増加させることができる。

請求項３記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項１又は請求項２記載の水素燃料供給システムにおいて、前記制御装置は、前記再生排ガスが、前記作動ガスとして前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に導入されるように、前記切換装置を切り換える。

請求項３記載の水素燃料供給システムでは、水素消費装置への水素供給量の増加要求があった場合には、制御装置は、切換装置を切り換えて、改質工程を行っている反応器に作動ガスとして再生排ガスを導入させることで、該反応器内の燃料ガスを水素消費装置側に押し出させる。このように、再生排ガスを水素供給量の増加時に作動ガスとして利用する構成であるため、システム外から作動ガスを導入する必要がないため、構成がシンプルになる。また、燃焼ガスである再生排ガスは水蒸気を含有するため、改質工程における改質反応が水蒸気改質反応を含む場合には、再生排ガスの導入によって、改質原料と反応する水蒸気の供給量が増加されて改質工程での燃料ガス生成量を短時間で増加させることができる。

請求項４記載の発明に係る水素燃料供給システムは、請求項１記載の水素燃料供給システムにおいて、前記切換装置は、前記各反応器の原料供給方向の上流側に水蒸気を導入するための水蒸気供給手段を有し、前記制御装置は、前記水蒸気供給手段の水蒸気が、前記作動ガスとして前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に導入されるように、前記切換装置を切り換える。

請求項４記載の水素燃料供給システムでは、水素消費装置への水素供給量の増加要求があった場合には、制御装置は、切換装置を切り換えて、水蒸気供給手段が供給する水蒸気を、改質工程を行っている反応器に導入させることで、該反応器内の燃料ガスを水素消費装置側に押し出させる。

この水蒸気が、水素燃料供給システムの定負荷運転で生成されるガスとは独立して生成される構成とすれば、水素供給量の増加要求量に応じた適正な量の作動ガスを反応器に導入することができる。また、改質工程における改質反応が水蒸気改質反応を含む場合には、作動ガスとしての水蒸気の供給によって改質原料と反応する水蒸気の供給量が増加されて改質工程での燃料ガス生成量を短時間で増加させることができる。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、アノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される酸素との反応によって発電を行い、アノード電極に供給される水素量に応じて発電量を変化させ得る燃料電池と、前記燃料電池を前記水素消費装置として、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給すると共に、前記カソード電極の排出ガスを前記原料の改質用の反応ガスとして用いる請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の水素燃料供給システムと、を備えている。

請求項５記載の燃料電池システムでは、燃料電池は、水素燃料供給システムの改質工程を行う反応器からアノード電極に供給された燃料ガスのうちの水素と、カソード電極に供給された酸素とを反応させて発電を行う。カソード電極の排出ガスすなわち水蒸気含有ガスは、改質工程において原料を改質する反応ガスとして利用される。したがって、改質工程で行われる改質反応は、水蒸気改質反応を含む。このため、水素量に応じて発電量を変化させ得る燃料電池の出力増加要求、すなわち水素供給量の増加要求がされ、改質工程を行う反応器への原料供給量が増えても、この原料を改質するための反応ガスである水蒸気（カソード電極の排出ガス）は直ちに増加することがない。

ここで、燃料電池への水素供給量の増加要求があった場合には、上記の通り作動ガスによって改質工程を行っている反応器内の燃料ガスが押し出されて燃料電池に供給されるため、改質工程による燃料ガスの生成量の増加を待つことなく燃料電池への水素供給量を増加することができる。また、作動ガスとして用いられる再生排ガス、燃料電池の排出ガス（アノード電極の排出ガス）、又は水蒸気供給手段の水蒸気には、何れも改質反応に用いる水蒸気が含まれているため、換言すれば、カソード電極の排出ガス以外の水蒸気供給源から水蒸気が追加的に供給されるため、改質工程による燃料ガスの生成量が短時間で増加する。

以上説明したように本発明に係る水素燃料供給システムは、水素供給量の増加要求に対する応答性が良好であるという優れた効果を有する。また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素燃料供給システムを備え、出力増大要求に対する応答性が良好であるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る水素燃料供給システム１２が適用された燃料電池システム１０について、図面に基づいて説明する。

図１には、燃料電池システム１０のシステム構成図（システムフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１０は、水素燃料供給システム１２と、水素燃料供給システム１２から水素燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池１４と、水素燃料供給システム１２と燃料電池との間で熱交換を行う熱交換器１６とを主要構成要素として構成されている。

水素燃料供給システム１２は、一対の反応器１８を備えている。一対の反応器１８は、それぞれ筒状に形成されたハウジングの内部に改質触媒を配設して構成されており、それぞれ供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気、酸素）を触媒反応させることで、水素ガスを含む燃料ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。改質反応は、以下の式（１）乃至（４）で表される各反応を含む。したがって、改質工程で得た燃料ガスには、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ₄）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（Ｃ_xＨ_y）等の可燃性ガス、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。

Ｃ_nＨ_m＋ｎＨ₂Ｏ → ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂ … （１）
Ｃ_nＨ_m＋ｎ／２Ｏ₂ → ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ₂ … （２）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ ⇔ ＣＯ₂＋Ｈ₂ … （３）
ＣＯ＋３Ｈ₂ ⇔ ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ … （４）
この改質反応は、所定の温度以上（本実施形態では、７００℃）で行われるようになっている。そして、各反応器１８は、改質反応によって低下した触媒温度を上昇するために、改質反応とは独立して、供給された再生用ガスと酸素とを反応させて触媒を加熱すると共に該触媒に蓄熱する再生反応を行うようになっている。この実施の形態では、再生用ガス（後述するアノードオフガス）を燃焼することで、各反応器１８の触媒を上記した改質反応を行い得る温度まで昇温する構成としている。したがって、各反応器１８は、改質反応と再生反応とを選択的に行い得る構成である。

燃料電池１４は、水素燃料供給システム１２からアノード電極（水素極）に供給される上記改質反応によって得た燃料ガス（水素、一酸化炭素、及び未反応の炭化水素を含むガス）と、カソード電極（酸素極）に供給される酸素とを電気化学的反応させることで発電を行う構成とされている。この実施形態では、燃料電池１４は、アノード電極とカソード電極との間に水素分離膜が設けられた水素分離膜式燃料電池（ＨＭＦＣ）とされており、上記燃料ガスのうち水素分離膜を透過した水素のみをカソード極の酸素と反応させる（すなわち、燃料ガスのうち水素ガスのみを発電に用いる）ようになっている。このため、燃料電池１４のアノードオフガスは、主に一酸化炭素及び炭化水素（水素を含む場合もある）が混合した可燃性ガスである。一方、燃料電池１４のカソードオフガスは、酸素と水素との反応によって生成された水（水蒸気）及び酸素を含む空気である。

そして、各種ガスの流れについては後述するが、燃料電池システム１０では、上記アノードオフガスを反応器１８の再生用ガスとして利用するようになっている。また、燃料電池システム１０では、カソードオフガスが含む水蒸気及び酸素を、上式（１）、（２）、（４）の如く改質反応ガスである炭化水素ガス及び生成燃料ガスと反応させるようになっている。さらに、燃料電池１４は、その反応温度を略一定の運転温度（例えば、３００℃〜６００℃であり、この実施形態では略５００℃）に保つために冷却用空気にて冷却される構成とされている。燃料電池１４を冷却して昇温された冷却用空気は、再生反応を行うための支燃ガスである酸素含有ガス、すなわち燃焼用空気として利用されるようになっている。したがって、燃料電池システム１０は、基本的には炭化水素原料と、カソード用及び冷却用の空気とを供給するだけで作動するようになっている。

熱交換器１６は、燃料電池１４のアノード電極に供給される高温ガスとしての燃料ガス（７００℃）と、低温ガスとしてのカソードオフガス（５００℃）との熱交換を行い、燃料電池システム１０の熱効率を向上するようになっている。

水素燃料供給システム１２は、一対の反応器１８への改質反応ガス（炭化水素ガス、水蒸気、酸素）の流路、改質反応によって生成された燃料ガスの流路、再生用ガス及び燃焼用空気の各流路、並びに再生排ガスの流路を切り換えるための切換装置２０を備えている。以下の説明では、２つの反応器１８を区別する場合に、各図の紙面上側に示す一方の反応器１８を第１反応器１８Ａ、他方の反応器１８を第２反応器１８Ｂということとする。

切換装置２０は、第１反応器１８Ａに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせている期間に第２反応器１８Ｂに再生用ガス及び燃焼用空気を供給して再生反応を行わせる状態と、第１反応器１８Ａに再生用ガス及び燃焼用空気を供給して再生反応を行わせている期間に第２反応器１８Ｂに改質反応ガスを供給して改質反応を行わせる状態とを切り換える構成とされている。以下、切換装置２０の具体的構成例を説明する。なお、以下の説明では、反応器１８が改質反応を行っている状態（期間）を改質工程、反応器１８が再生反応を行っている状態（期間）を再生工程という場合がある。

図１に示される如く、水素燃料供給システム１２は、原料供給ライン２１を備えており、原料供給ライン２１上には、図示しない燃料タンクから液体の炭化水素原料を供給する燃料ポンプ２２が配置されている。原料供給ライン２１における燃料ポンプ２２の下流には、蒸発器（気化器）２４が配置されており、例えば燃料電池システム１０の排ガスとの熱交換によって炭化水素原料を蒸発させるようになっている。また、原料供給ライン２１における蒸発器２４の下流には、混合器２６が配置されている。混合器２６は、炭化水素燃料と後述するカソードオフガス（式（１）の水蒸気及び式（２）の酸素）とを混合して、改質反応ガスとして下流に排出するようになっている。なお、カソードオフガスが高温であることから、液体の炭化水素原料を混合器２６内に噴射する構成（インジェクション）を採用することで、蒸発器２４を備えない構成とすることも可能である。さらに、蒸発器２４と混合器２６との間には、炭化水素原料遮断手段としてのバルブＶ０が配設されている。

原料供給ライン２１の下流端には、環状のブリッジ管路２８が接続されている。このブリッジ管路２８には、４つのバルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ２Ａが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。原料供給ライン２１の下流端は、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＡとバルブＶ１Ｂとの間に接続されている。ブリッジ管路２８におけるバルブＶ２ＡとバルブＶ２Ｂとの間には、排気ライン３０の上流端が接続されている。排気ライン３０上には、排気処理器３２が配置されている。排気処理器３２は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、再生反応で燃焼しなかった再生用ガスを酸化処理（浄化）するようになっている。排気ライン３０の下流端は、排気口３０Ａとされている。また、排気ライン３０における排気処理器３２の下流からは、排気戻しライン３４が分岐しており、排気戻しライン３４は混合器２６に排ガスを導入可能に接続されている。排気戻しライン３４にはバルブＶ３が配設されている。

また、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＡとバルブＶ２Ａとの間からは、一端が第１反応器１８Ａの第１出入口１８Ｃに接続された第１ライン３６Ａの他端が接続されている。さらに、ブリッジ管路２８におけるバルブＶ１ＢとバルブＶ２Ｂとの間からは、一端が第２反応器１８Ｂの第１出入口１８Ｄに接続された第２ライン３６Ｂの他端が接続されている。第１ライン３６Ａ、第２ライン３６Ｂは、それぞれ改質反応を行う第１反応器１８Ａ、第２反応器１８Ｂへの上記改質反応ガスの供給用、再生反応を行う第１反応器１８Ａ、第２反応器１８Ｂからの再生排ガスの排出用として、選択的に用いられるようになっている。

さらに、第１反応器１８Ａにおける第１出入口１８Ｃと反対側（ガス流れ方向の反対側）に配置された第２出入口１８Ｅには、第３ライン３８Ａの一端が接続されており、第２反応器１８Ｂにおける第１出入口１８Ｄと反対側に配置された第２出入口１８Ｆには、第４ライン３８Ｂの一端が接続されている。第３ライン３８Ａ、第４ライン３８Ｂの各他端は、それぞれ環状のブリッジ管路４０に接続されている。このブリッジ管路４０には、４つのバルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ｂ、Ｖ６Ａが各図において反時計回りにこの順で直列に配置されている。第３ライン３８Ａの他端は、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＡとバルブＶ６Ａとの間に接続されており、第４ライン３８Ｂの他端は、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＢとバルブＶ６Ｂとの間に接続されている。

このブリッジ管路４０におけるバルブＶ６ＡとバルブＶ６Ｂとの間には、燃料ガス供給ライン４２の一端が接続されている。燃料ガス供給ライン４２の他端は、熱交換器１６の高温ガス入口１６Ａ（燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａ）に接続されている。また、ブリッジ管路４０におけるバルブＶ５ＡとバルブＶ５Ｂとの間には、再生用ガス導入ライン４４の一端が接続されている。再生用ガス導入ライン４４の他端は、燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂに接続されている。

また、燃料ガス供給ライン４２からは、下流端が排気口４６Ａである排気ライン４６が分岐しており、排気ライン４６上には、排気処理器４８が配置されている。排気処理器４８は、ハウジング内に酸化触媒を内蔵して構成されており、基本的には水素燃料供給システム１２のスタートアップ時の排ガス（燃焼ガス）を浄化するようになっている。排気ライン４６における排気処理器４８の上流にはバルブＶ７が配設されている。

さらに、切換装置２０は、一端が混合器２６に接続され、該混合器２６に水蒸気及び酸素を供給する水蒸気供給ライン５０を備えている。水蒸気供給ライン５０は、その他端が熱交換器１６の低温ガス出口１６Ｄに接続されており、燃料電池１４のカソードオフガスを混合器２６に送給するようになっている。水蒸気供給ライン５０上にはバルブＶ９が配設されている。

また、切換装置２０は、一端が第１反応器１８Ａにおける第２出入口１８Ｅに接続された燃焼用空気供給ライン５２Ａ、及び一端が第２反応器１８Ｂにおける第２出入口１８Ｆに接続された燃焼用空気供給ライン５２Ｂを備えている。燃焼用空気供給ライン５２Ａ上にはバルブＶ４Ａが配設されており、燃焼用空気供給ライン５２Ｂ上にはバルブＶ４Ｂが配設されている。燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂの各他端（上流端）は、それぞれ一端が燃料電池１４の冷却用空気出口１４Ｆに接続された冷却用空気排出ライン５４の他端に接続されている。

この冷却用空気排出ライン５４からは、下流端が排気口５６Ａである排気ライン５６が分岐しており、排気ライン５６上にはバルブＶ８が配設されている。バルブＶ８は、任意の弁開度を取り得る構成とされており、この弁開度に応じて、排気ライン５６による排気量、すなわち燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂを通じて反応器１８に供給する燃焼用空気の供給量を調整可能とされている。

さらに、切換装置２０は、一端が第３ライン３８Ａから分岐すると共に他端が第１反応器１８Ａの筒壁における第２出入口１８Ｅ側に配置された再生用ガス入口１８Ｇに接続された再生用ガスライン５５Ａと、一端が第４ライン３８Ｂから分岐すると共に他端が第２反応器１８Ｂの筒壁における第２出入口１８Ｆ側に配置された再生用ガス入口１８Ｈに接続された再生用ガスライン５５Ｂとを備えている。第３ライン３８Ａにおける再生用ガスライン５５Ａの分岐部３８Ｃと、第１反応器１８Ａとの間には、該分岐部３８Ｃ側から第２出入口１８Ｅへのガス流入を阻止するためのバルブＶ１４Ａが配設されている。また、再生用ガスライン５５Ａにおける分岐部３８Ｃと再生用ガス入口１８Ｇとの間には、該再生用ガス入口１８Ｇ側から分岐部３８Ｃ側へのガス流入を阻止するためのバルブＶ１５Ａが配設されている。同様に、第４ライン３８Ｂにおける再生用ガスライン５５Ｂの分岐部３８Ｄと、第２反応器１８Ｂとの間には、該分岐部３８Ｄ側から第２出入口１８Ｆへのガス流入を阻止するためのバルブＶ１４Ｂが配設されている。また、再生用ガスライン５５Ｂにおける分岐部３８Ｄと再生用ガス入口１８Ｈとの間には、該再生用ガス入口１８Ｈ側から分岐部３８Ｄ側へのガス流入を阻止するためのバルブＶ１５Ｂが配設されている。なお、バルブＶ１４Ａ、Ｖ１４Ｂ、Ｖ１５Ａ、Ｖ１５Ｂに代えて逆止弁を設けても良い。

これらにより、第１反応器１８Ａからブリッジ管路４０側に排出されるガスは、第２出入口１８Ｅ、第３ライン３８Ａ（バルブＶ１４Ａ）を経由してブリッジ管路４０に至り、ブリッジ管路４０側から第１反応器１８Ａ側に流れるガス（再生用ガス）は、第３ライン３８Ａ、再生用ガスライン５５Ａ（バルブＶ１５Ａ）、再生用ガス入口１８Ｇを経由して第１反応器１８Ａに至るようになっている。同様に、第２反応器１８Ｂからブリッジ管路４０側に排出されるガスは、第２出入口１８Ｆ、第４ライン３８Ｂ（バルブＶ１４Ｂ）を経由してブリッジ管路４０に至り、ブリッジ管路４０側から第１反応器１８Ａ側に流れるガスは、第４ライン３８Ｂ、再生用ガスライン５５Ｂ（バルブＶ１５Ｂ）、再生用ガス入口１８Ｈを経由して第２反応器１８Ｂに至るようになっている。このため、改質工程で生成された燃料ガスは第２出入口１８Ｅ、１８Ｆから排出され、再生工程の燃料となる再生用ガスは、反応器１８内における燃焼用空気供給ライン５２Ａ、５２Ｂから第１出入口１８Ｃ、１８Ｄ側に向かう燃焼用空気の流れに対し交差する方向から供給される構成とされている。したがって、再生用ガスと燃焼用空気とは反応器１８よりも上流で予混合されないようになっている。

以上説明した切換装置２０は、バルブＶ１Ａ、Ｖ１Ｂの開閉に応じて一対の反応器１８への改質反応ガス（炭化水素ガス、水蒸気、酸素）の流路を切り換え、バルブＶ６Ａ、Ｖ６Ｂの開閉に応じて改質反応によって生成された燃料ガスの流路を切り換え、バルブＶ５Ａ、Ｖ５Ｂの開閉に応じて再生用ガス（アノードオフガス）の流路を切り換え、バルブＶ４Ａ、Ｖ４Ｂの開閉に応じて燃焼用空気（冷却用空気）の流路を切り換え、バルブＶ２Ａ、Ｖ２Ｂの開閉に応じて再生排ガスの流路を切り換えるようになっている。各バルブは電磁弁とされており、後述する制御装置７０からの作動信号に基づいて開閉する（バルブＶ８は弁開度の調節）を行う構成である。切換装置２０のバルブ開閉による切り換え動作、すなわち水素燃料供給システム１２の具体的な動作については、燃料電池システム１０の作用として制御装置７０の動作と共に後述する。

燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａと熱交換器１６の高温ガス出口１６Ｂとは燃料ガスライン５８によって接続されている。これにより、燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａには、改質工程を行う反応器１８、第３ライン３８Ａ又は第４ライン３８Ｂ、ブリッジ管路４０のバルブＶ６Ａ又はバルブＶ６Ｂ、燃料ガス供給ライン４２、熱交換器１６内の高温ガス流路、燃料ガスライン５８を通過した燃料ガスが送給される構成である。燃料ガス入口１４Ａから燃料電池１４内に導入された燃料ガスは、アノード電極に供給されて上記の通り水素ガスのみが発電に使用され、残余の可燃性ガス成分はアノードオフガスとして燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出されるようになっている。アノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、バルブＶ５Ａ又はバルブＶ５Ｂ、第３ライン３８Ａ又は第４ライン３８Ｂを通じて、再生用ガスとして反応器１８に供給される構成である。

また、燃料電池１４のカソード用空気入口１４Ｃには、一端が空気ポンプ６０の吐出側に接続されたカソード用空気供給ライン６２の他端が接続されている。カソード用空気供給ライン６２上にはバルブＶ１０が配設されている。カソード用空気入口１４Ｃから燃料電池１４内に導入された空気（酸素）は、カソード電極に導入されて、上記の通り水素分離膜（電解質膜）を透過してきた水素（プロトン）と反応するようになっている。この反応によって生成された水蒸気、未反応の空気は、カソードオフガスとしてカソードオフガス出口１４Ｄから排出されるようになっている。

燃料電池１４のカソードオフガス出口１４Ｄと熱交換器１６の低温ガス入口１６Ｃとは、低温ガスライン６４にて接続されている。したがって、カソードオフガス出口１４Ｄから排出されたカソードオフガスは、低温ガスライン６４、熱交換器１６内の低温ガス流路、水蒸気供給ライン５０を通じて混合器２６に導入され、混合器２６内で炭化水素原料と混合されるようになっている。この混合ガスが、ブリッジ管路２８のバルブＶ１Ａ又はバルブＶ１Ｂ、第１ライン３６Ａ又は第２ライン３６Ｂを通じて改質反応ガスとして反応器１８に供給される構成である。

さらに、燃料電池１４の冷却用空気入口１４Ｅは、一端が空気ポンプ６６の吐出側に接続された冷却用空気供給ライン６８の他端が接続されている。冷却用空気供給ライン６８上にはバルブＶ１１が配設されている。冷却用空気入口１４Ｅから燃料電池１４内に導入された空気は、図示しない冷却空気流路を流動しつつ該燃料電池１４を冷却して運転温度を略一定温度に保つようになっている。燃料電池１４を冷却した後の冷却用空気は、冷却用空気出口１４Ｆから排出され、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ａ又は燃焼用空気供給ライン５２Ｂを通じて再生工程の燃焼用空気として反応器１８に送給されるようになっている。

再生工程で発生した再生排ガス（燃焼ガス）は、第１ライン３６Ａ又は第２ライン３６Ｂ、ブリッジ管路２８のバルブＶ２Ａ又はバルブＶ２Ｂ、排気ライン３０を通じて排気口３０Ａからシステム外に排出されるようになっている。

そして、切換装置２０は、再生用ガス導入ライン４４と低温ガスライン６４とを連通する作動ガス供給ライン７２、及び該作動ガス供給ライン７２上に配設された送気ポンプ７４を備えている。作動ガス供給ライン７２における送気ポンプ７４の下流側には、バルブＶ１２が配設されており、該バルブＶ１２の開放状態では、送気ポンプ７４を作動することで、アノードオフガスが再生用ガス導入ライン４４から分岐して低温ガスライン６４すなわち混合器２６（改質工程を行っている反応器１８）に送給されるようになっている。なお、作動ガス供給ライン７２は、再生用ガス導入ライン４４から分岐されて水蒸気供給ライン５０に連通されても良い。また、作動ガス供給ライン７２から低温ガスライン６４（水蒸気供給ライン５０）への送気にはエジェクタ（吹き込み）方式を用いても良い。混合器２６にエジェクタ機能を付与し、作動ガス供給ライン７２からアノードオフガスを混合器２６に直接に導入することもできる。以上により、切換装置２０では、アノードオフガスを、燃料電池システム１０の高圧側である最上流部（混合器２６）に送給することができる。

また、燃料電池システム１０は、制御装置７０を備えている。図２に示される如く、制御装置７０は、切換装置２０の各バルブ（バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３、Ｖ４Ａ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ）、燃料電池１４への空気供給用の各バルブＶ１０、Ｖ１１、燃料ポンプ２２、送気ポンプ７４、及び各空気ポンプ６０、６６に電気的に接続されており、各バルブの開閉（バルブＶ８については弁開度の調節）及び各ポンプの作動、停止等を制御する構成とされている。この制御装置７０は、図３に示すフローチャートに示す如き動作を行うようになっている。この動作については、燃料電池システム１０の作用と共に後述する。

また、制御装置７０には、燃料電池システム１０及び電力消費部等を含むシステム全体を制御するメインコントローラから、燃料電池１４の負荷変動に応じた要求電力信号が入力されるようになっている。制御装置７０は、この要求電力信号に応じて上記燃料ポンプ２２、及び各空気ポンプ６０、６６による燃料や空気の供給量を制御するようになっている。さらに、制御装置７０は、要求電力信号（の変化）から燃料電池１４の発電量を短時間で（所定の時定数よりも小さい時定数で）増加させるべき状態であると判断した場合に、負荷増加時に良好に応答するための後述する特別な制御を行うようになっている。この特別な制御を行う場合以外の発電運転時には、バルブＶ３、Ｂ１２は常時閉止されるようになっている。

次に、燃料電池システム１０の作用を説明する。先ず燃料電池１４の負荷（発電量）が略一定の場合の作用、すなわち燃料電池システム１０の基本的な動作を図４及び図５に示す動作説明図を参照しつつ説明し、次いで燃料電池１４の負荷を増加させる場合の作用を図６及び図７を用いて説明する。

（基本動作）
図４には、第１反応器１８Ａが改質工程を行うと共に第２反応器１８Ｂが再生工程を行う状態がシステム構成図にて示されており、図５には、第１反応器１８Ａが再生工程を行うと共に第２反応器１８Ｂが改質工程を行う状態がシステム構成図にて示されている。なお、燃料電池システム１０の動作を表す各図において、開放状態のバルブを白抜きで示すと共に閉止状態のバルブを黒塗りで示し、かつバルブが閉じて流体の流れが遮断されている流路を想像線にて示すこととする。

図４に示される状態では、バルブＶ０、Ｖ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１４Ａ、Ｖ１５Ｂが開放されている。一方、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ３、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１２、Ｖ１４Ｂ、Ｖ１５Ａが閉止されている。これにより、炭化水素原料は、原料供給ライン２１（バルブＶ０）を通じて混合器２６に至り、混合器２６にて水蒸気、空気（酸素）と混合され改質反応ガスとなる。混合器２６から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ａ）、第１ライン３６Ａを経由して第１反応器１８Ａ内に供給される。第１反応器１８Ａ内では、触媒と改質反応ガスとの接触により上式（１）乃至（４）の反応を含む改質反応が行われ、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成される。

この燃料ガスは、第３ライン３８Ａ、ブリッジ管路４０（バルブＶ６Ａ）を通じて熱交換器１６に導入され、該熱交換器１６にて改質用ガスであるカソードオフガスと熱交換を行って冷却される。熱交換器１６にて冷却された燃料ガスは、燃料ガスライン５８、燃料電池１４の燃料ガス入口１４Ａを通じて燃料電池１４内のアノード電極に導入される。燃料電池１４には、カソード用空気供給ライン６２、カソード用空気入口１４Ｃを通じて、カソード電極に空気すなわち酸素が常時供給されている。アノード電極からは、水素分離膜を通じて水素ガスのみがプロトンとなってカソード電極に移動し、このプロトンとカソード電極に供給された酸素との反応によって発電が行われる。また、燃料電池１４には、冷却用空気供給ライン６８、冷却用空気入口１４Ｅを通じて、冷却用空気が常時供給されており、運転温度が略一定温度（５００℃）に保たれている。

燃料電池１４のカソードオフガス出口１４Ｄから排出された水蒸気、酸素を含むカソードオフガスは、熱交換器１６の低温ガス流路に導入されて上記の通りアノード電極に導入される燃料ガスと熱交換を行う。その後、このカソードオフガスは、水蒸気供給ライン５０を通じて混合器２６に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第１反応器１８Ａに導入される。

燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出された一酸化炭素、炭化水素原料を含むアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、ブリッジ管路４０（バルブＶ５Ｂ）、第４ライン３８Ｂ、再生用ガスライン５５Ｂを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口１８Ｈから第２反応器１８Ｂに導入される。一方、燃料電池１４の冷却用空気出口１４Ｆから排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ｂ（バルブＶ４Ｂ）を通じて、燃焼用空気として第２出入口１８Ｆから第２反応器１８Ｂに導入される。この第２反応器１８Ｂ内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した可燃性ガスである再生用ガスが燃焼する。これにより、第２反応器１８Ｂの触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第２ライン３６Ｂ、ブリッジ管路２８（バルブＶ２Ｂ）、排気ライン３０を通じてシステム外に排出される。

燃料電池システム１０の制御装置７０は、図３に示すフローチャートのステップＳ１０において、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングでないと判断すると、ステップＳ１６に進んで、上記の通りバルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ１４Ａ、Ｖ１５Ｂが開放されると共にバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１４Ｂ、Ｖ１５Ａが閉止された状態を維持する。一方、制御装置７０は、改質反応を行っていた第１反応器１８Ａの触媒温度が低下し、改質反応を維持できなくなる場合（所定時間の経過、触媒温度が閾値を下回る等の制御パラメータにより判断される）、切換装置２０を切り換えることで、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程に切り換える。また、この切り換えとほぼ同時に、第２反応器１８Ｂを再生工程から改質工程に切り換える。すなわち、制御装置７０は、第１反応器１８Ａを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップＳ１２に進み、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ１４Ａ、Ｖ１５Ｂを閉止すると共に、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１４Ｂ、Ｖ１５Ａを開放する。これにより、燃料電池システム１０は、図４に示す状態から図５に示す状態に切り換わる。

図４の状態と異なる部分を説明すると、混合器２６から排出された改質反応ガスは、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ｂ）、第２ライン３６Ｂを経由して第２反応器１８Ｂ内に供給され、触媒との接触により改質反応が行われ、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、第４ライン３８Ｂ、ブリッジ管路４０（バルブＶ６Ｂ）を通じて熱交換器１６・燃料電池１４内のアノード電極に導入される。燃料電池１４から排出されたカソードオフガスは、熱交換器１６を通過した後、混合器２６に導入され、上記の通り炭化水素原料と混合して改質反応ガスとなり、第２反応器１８Ｂに導入される。

燃料電池１４から排出されたアノードオフガスは、再生用ガス導入ライン４４、ブリッジ管路４０（バルブＶ５Ａ）、第３ライン３８Ａ、再生用ガスライン５５Ａを通じて再生用ガスとして再生用ガス入口１８Ｇから第１反応器１８Ａに導入される。一方、燃料電池１４から排出された冷却用空気は、冷却用空気排出ライン５４、燃焼用空気供給ライン５２Ａ（バルブＶ４Ａ）を通じて燃焼用空気として第２出入口１８Ｅから第１反応器１８Ａに導入される。この第１反応器１８Ａ内では、燃焼用空気と共に触媒に接触した再生用ガスの燃焼によって、触媒温度が改質反応を行い得る温度まで上昇すると共に改質に必要な蓄熱が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスである再生排ガスは、第１ライン３６Ａ、ブリッジ管路２８（バルブＶ２Ａ）、排気ライン３０を通じてシステム外に排出される。

また、制御装置７０は、図３に示すフローチャートのステップＳ１４において、第２反応器１８Ｂを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミング（第１反応器１８Ａを再生交代から改質工程へ切り換えるタイミング）でないと判断すると、ステップＳ１２に戻って、上記の通りバルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１４Ｂ、Ｖ１５Ａが開放されると共にバルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ１４Ａ、Ｖ１５Ｂが閉止された状態を維持する。一方、制御装置７０は、第２反応器１８Ｂを改質工程から再生工程へ切り換えるタイミングであると判断すると、ステップＳ１６に進み、バルブＶ１Ｂ、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、Ｖ５Ａ、Ｖ６Ｂ、Ｖ１４Ｂ、Ｖ１５Ａを閉止すると共に、バルブＶ１Ａ、Ｖ２Ｂ、Ｖ４Ｂ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６Ａ、Ｖ１４Ａ、Ｖ１５Ｂを開放する。これにより、燃料電池システム１０は、図５に示す状態から図４に示す状態に切り換わる。したがって、ステップＳ１２及びＳ１６のバルブ開閉状態の何れか一方が本発明における第１状態に相当し、他方が第２状態に相当する。

また、制御装置７０は、上記各反応器１８の改質工程と再生工程との切り換え制御を行いつつ、燃料電池１４の負荷に応じて燃料ガスの供給量（改質工程を行う反応器１８に対する原料供給量）を調整する制御、再生工程を行う際の触媒燃焼温度を所定温度範囲に保持する制御を行っている。この実施形態では、制御装置７０は、再生工程での空気過剰率（燃焼ストイキ）を予め設定した制御目標（この実施形態では１．１）となるように燃焼用空気（燃料電池１４の冷却後の空気）の反応器１８への供給量、すなわちバルブＶ８の弁開度や空気ポンプ６６の吐出量を制御して、触媒燃焼温度を８００℃乃至９００℃に保っている。

以上により、燃料電池システム１０では、各反応器１８が改質工程と再生工程とを交互に繰り返し断続的（バッチ的）に燃料ガスを生成する構成でありながら、燃料電池１４に対し連続的に燃料ガスを供給して連続的に安定して発電を行うことができる構成を実現している。また、燃料電池システム１０では、燃料電池１４が水素分離膜によって燃料ガスから水素のみを分離して発電に用い、残余のガスを再生工程の燃料として用いるため、改質工程にて得た燃料ガス中の一酸化炭素を、さらに水と反応させて水素及び二酸化炭素を得るシフト反応を行う必要がない。シフト反応は反応速度が遅く大型の反応器を必要とするが、このシフト反応を行う必要がないため、燃料電池システム１０をコンパクトに構成することができる。

（負荷増加時の動作）
燃料電池システム１０では、制御装置７０は、メインコントローラから入力される要求電力信号（の時間変化）に基づいて燃料電池１４の発電量を（比較的短時間で）増加させるべき場合であると判断した場合、燃料ポンプ２２の吐出量（改質工程への炭化水素ガスの供給量）を増加すると共に、バルブＶ１２を開放し、かつ送気ポンプ７４を作動する。図６には、第１反応器１８Ａが改質工程を行っている状態からバルブＶ１２を開放すると共に送気ポンプ７４を作動した場合の例が示されている。この図６に示される如く、バルブＶ１２が開放されると共に送気ポンプ７４が作動すると、燃料電池１４のアノードオフガス出口１４Ｂから排出されたアノードオフガスは、その一部が再生用ガスとして第２反応器１８Ｂに供給される。アノードオフガスの残余の一部は、作動ガスとして、作動ガス供給ライン７２（バルブＶ１２）、水蒸気供給ライン５０、混合器２６、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ａ）、第１ライン３６Ａを経由して、改質工程を行っている第１反応器１８Ａに供給される。

すると、炭化水素燃料の供給料が増加すると共に作動ガス（アノードオフガス）が導入された第１反応器１８Ａは、通過するガス流量（スペースベロシティ）が増えるため、該第１反応器１８Ａ内における燃料ガス流れ方向下流側（後段）に滞留していた燃料ガスが第２出入口１８Ｅから第３ライン３８Ａに押し出される。そして、この第１反応器１８Ａの後段に滞留していた燃料ガスは、水素ガスを高濃度で含むため、燃料電池１４に供給される水素量が応答良く（短時間で）増加する。

また、アノードオフガスには、燃料電池１４で消費されなかった水素、燃料電池１４では消費されない可燃性ガス（炭化水素、一酸化炭素等）、及び水蒸気を含むため、作動ガスにて押し出した水素を燃料電池１４に供給している間に、改質工程で生成する水素量を短時間で増加させることができる。以下、具体的に説明する。外部から熱を与えることなく蓄えた熱によって改質反応を行う蓄熱式の反応器１８は、炭化水素ガス、水蒸気等の改質反応ガスの供給量が増加すると、直ちに燃料ガスの生成量を増加する。すなわち、バッチ（サイクル）式の水素燃料供給システム１２では、再生工程が改質工程とは独立して行われるので、改質量を増加するために改質工程を行う反応器１８への入熱量を増加する必要はない。一方、改質工程で用いる水蒸気をカソードオフガスから得る水素燃料供給システム１２では、第１反応器１８Ａ（改質工程）への炭化水素ガスの供給量を増加しても、炭化水素ガスと反応する水蒸気の量が直ちに（カソード電極での水蒸気生成量が増加するまでは）増加することがない。

そして、アノードオフガスに含まれる水素は、改質工程での生成目的物であり、上記可燃性ガスは改質原料となる（式（１）乃至（４）参照）。また、水蒸気は水蒸気改質（式（１）参照）の反応ガスとして利用されるので、原料である炭化水素ガスの供給量を増加させると共にアノードオフガスを第１反応器１８Ａに導入することで、カソードオフガス中の水蒸気量が増加する前に、炭化水素原料の供給量が増した第１反応器１８Ａ（改質工程）に水蒸気を供給してＳ／Ｃ比（炭化水素ガス中のカーボン量に対する水蒸気量）を高くすることができる。以上により、第１反応器１８Ａでは、短時間で燃料ガスの生成量が増し又は燃料ガス中の水素量（水素濃度）が増し、燃料電池１４に供給される水素量を一層応答良く増加させることができる。

燃料電池１４の発電量増加に対応した状態への移行後、すなわち燃料電池１４で増加した炭化水素ガスの改質によって得た燃料ガス中の水素と酸素とが反応して生成されたカソードオフガスが改質工程を行う反応器１８に供給され、カソードオフガスが含有する水蒸気量が増加した発電量に応じた量になったと制御装置７０が判断した場合に、バルブＶ１２は閉止される。これにより、上記した基本動作に戻る。

また、燃料電池システム１０では、再生工程（別の制御）の要求等によってアノードオフガスを作動ガスとして利用できない場合、又はアノードオフガスでは作動ガス流量が不足する場合（発電量の増加幅が大きい場合）等には、制御装置７０は、バルブＶ１２を開放する代りに、バルブＶ３を開放する。

図７には、第２反応器１８Ｂが改質工程を行っている状態からバルブＶ３を開放すると共に、排気戻しライン３４に配設した図示しない送気ポンプを作動した場合の例が示されている。この図７に示される如く、バルブＶ３が開放されると共に上記送気ポンプが作動すると、再生工程を行っている第１反応器１８Ａから排出された再生排ガスは、作動ガスとして、排気戻しライン３４（バルブＶ３）、混合器２６、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ｂ）、第２ライン３６Ｂを経由して、改質工程を行っている第２反応器１８Ｂに供給される。なお、排気戻しライン３４に送気ポンプを配設する構成に代えて、混合器２６にエジェクタ機能を付与することで、再生排ガスを混合器２６経由で第２反応器１８Ｂに導入することも可能である。

すると、炭化水素燃料の供給料が増加すると共に作動ガス（再生排ガス）が導入される第２反応器１８Ｂは、通過するガス流量（スペースベロシティ）が増えるため、上記アノードオフガスを作動ガスとして用いる場合と同様に、第２反応器１８Ｂ内における燃料ガス流れ方向下流側（後段）に滞留していた燃料ガスが第２出入口１８Ｆから第４ライン３８Ｂに押し出される。そして、この第２反応器１８Ｂの後段に滞留して燃料ガスは、水素ガスを高濃度で含むため、燃料電池１４に供給される水素量が応答良く増加する。

また、炭化水素の燃焼ガスである再生排ガスには水蒸気を含むため、上記アノードオフガスを作動ガスとして用いる場合と同様に、カソードオフガス中の水蒸気量が増加する前に、炭化水素原料の供給量が増した第２反応器１８Ｂ（改質工程）に水蒸気を供給してＳ／Ｃ比を高くすることができる。このため、第２反応器１８Ｂによる燃料ガスの生成量が増し、作動ガスにて押し出した水素を燃料電池１４に供給している間に、改質工程で生成する水素量を短時間で増加させることができる。そして、燃料電池１４の発電量増加に対応した状態への移行後には、バルブＶ３は閉止されて上記した基本動作に戻る。

このように、水素供給量の増加要求に対する応答性が良好な水素燃料供給システム１２を備える燃料電池システム１０では、出力増大要求に対する応答性が良好であるという優れた効果を有する。

なお、改質工程を行っている反応器１８への作動ガスの導入量を調節するために、バルブＶ１２、バルブＶ３を弁開度の調節が可能な調節弁としたり、排気ライン３０における排気戻しライン３４の分岐部位よりも下流（排気口３０Ａ側）に調節弁又は開閉弁（バルブＶ３が調節弁の場合）を配置したりしても良い。また、再生排ガスを全量作動ガスとして利用するために、排気ライン３０における排気戻しライン３４の分岐部位よりも下流に開閉弁を設けても良い。

また、上記第１の実施形態では、燃料電池システム１０（水素燃料供給システム１２）が排気戻しライン３４（バルブＶ３）、作動ガス供給ライン７２（バルブＶ１２）を共に備える例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、燃料電池システム１０は、排気戻しライン３４及び作動ガス供給ライン７２の何れか一方のみを備えて構成されても良い。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的に同一の部品・部分には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

図８には、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０のシステム構成図（システムフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム８０は、水素燃料供給システム１２に代えて、水蒸気供給手段としての水蒸気供給部８４を有する切換装置８４を備えた水素燃料供給システム８２を備えている。

水蒸気供給部８４は、図示しない水タンクと水蒸気供給ライン５０（この実施形態ではバルブＶ９の下流）とを連通する水ライン８８を備えている。水ライン８８には、水タンクに貯留されている水を吸い上げる水ポンプ９０と、供給された水を蒸発して水蒸気を生成する蒸発器（ボイラ）９２と、水ライン８８を開閉するバルブＶ１３とが、上流からこの順にかつ直列的に配設されている。蒸発器９２は、例えば再生排ガス（排気ライン３０、排気処理器３２）等の燃料電池システム１０の高温排ガスと水との熱交換によって該水を蒸発し、外部の熱源を必要としない構成とされている。また、蒸発器９２には、所定量の水蒸気が蓄えられるようになっている。

さらに、図示は省略するが、水ポンプ９０及びバルブＶ１３は、それぞれ制御装置７０に電気的に接続されている。水ポンプ９０は制御装置７０によって運転・停止され吐出量が制御されるようになっており、バルブＶ１３は制御装置７０によって開閉が制御されるようになっている。この制御装置７０は、基本的に上記したバルブＶ１２を開閉するタイミングで、バルブＶ１３を開閉する構成とされている。すなわち、燃料電池システム８０では、燃料電池１４の負荷（発電量）が略一定の場合には、バルブＶ１３は常に閉止されており（図示省略）、上記第１の実施形態との基本動作と同様に動作する。以下、燃料電池１４の負荷を増加させる場合の作用を説明する。

燃料電池システム８０では、制御装置７０は、メインコントローラから入力される要求電力信号に基づいて燃料電池１４に対する要求発電量を急激に増加したと判断した場合、燃料ポンプ２２の吐出量（改質工程への炭化水素ガスの供給量）を増加すると共に、バルブＶ１３を開放する。また、必要に応じて水ポンプ９０を作動する。図９には、第１反応器１８Ａが改質工程を行っている状態からバルブＶ１３を開放した場合の例が示されている。この図９に示される如く、バルブＶ１３が開放されると、水蒸気供給部８４で生成（貯留）された水蒸気は、作動ガスとして、水蒸気供給ライン５０、、混合器２６、ブリッジ管路２８（バルブＶ１Ａ）、第１ライン３６Ａを経由して、改質工程を行っている第１反応器１８Ａに供給される。

すると、炭化水素燃料の供給量が増加すると共に作動ガス（水蒸気）が導入される第１反応器１８Ａは、通過するガス流量（スペースベロシティ）が増えるため、上記第１の実施形態と同様に、第１反応器１８Ａ内における燃料ガス流れ方向下流側（後段）に滞留していた燃料ガスが第２出入口１８Ｅから第３ライン３８Ａに押し出される。そして、この第１反応器１８Ａの後段に滞留して燃料ガスは、水素ガスを高濃度で含むため、燃料電池１４に供給される水素量が応答良く増加する。

また、作動ガスとしての水蒸気は、上記第１の実施形態と同様に、カソードオフガス中の水蒸気量が増加する前に、炭化水素原料の供給量が増した第１反応器１８Ａ（改質工程）に供給される。これにより、第１の実施形態よりも水蒸気の供給量（Ｓ／Ｃ比）が大きくなり、第１反応器１８Ａにおける改質反応（主に式（１）の水蒸気改質）が一層促進されて燃料ガスの生成量が増すため、作動ガスにて押し出した水素を燃料電池１４に供給している間に、改質工程で生成する水素量を短時間で増加させることができる。そして、燃料電池１４の発電量増加に対応した状態への移行後には、バルブＶ１３は閉止されて上記した基本動作に戻る。

このように、水素供給量の増加要求に対する応答性が良好な水素燃料供給システム８２を備える燃料電池システム８０では、出力増大要求に対する応答性が良好であるという優れた効果を有する。

なお、第２の実施形態では、バルブＶ１３が開閉弁である例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、バルブＶ１３を弁開度の調節が可能な調節弁として、改質工程を行っている反応器１８への作動ガスの導入量を調節するようにしても良い。この場合、通常の工程では使用しない水蒸気を作動ガスとするため、生成量が反応器１８での改質量に依存する系内の生成ガス（アノードオフガス、再生排ガス）を作動ガスとして導入する第１の実施形態と比較して、反応器１８への作動ガス導入量の調整範囲を広く（調節自由度を高く）することができる。

また、第２の実施形態では、燃料電池１４のカソードオフガスを改質反応ガスとしての水蒸気供給源とする例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、改質工程に供給する水蒸気の一部又は全部を水蒸気供給部８４から導入するようにしても良い。この場合、カソードオフガスを作動ガスの一部又は全部として用いることも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置の基本制御フローを示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの基本動作のうち一方（第１反応器の改質工程）を示すシステム構成図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの基本動作のうち他方（第１反応器の再生工程）を示すシステム構成図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の発電量増大時の運転状態を示すシステム構成図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の発電量増大時の図６とは別の制御による運転状態を示すシステム構成図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の発電量増大時の運転状態を示すシステム構成図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２水素燃料供給システム
１８反応器
２０切換装置
７０制御装置
７２作動ガス供給ライン（ガス導入路）
８０燃料電池システム
８２水素燃料供給システム
８４切換装置
８６水蒸気供給部（水蒸気供給手段）

Claims

供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程と、前記改質工程によって低下した温度を供給された再生用ガスを燃焼させて改質可能な温度に上昇させる再生工程とを行うように切り換え可能な複数の反応器と、
一つの前記反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを水素消費装置に供給させると共に、他の前記反応器に前記一つの反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給しつつ再生排ガスを排出させる第１の状態と、前記一つの反応器とは別の反応器に前記原料を供給しつつ前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給させると共に、前記一つの反応器に前記他の反応器で生成された前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記再生用ガスとして供給しつつ再生排ガスを排出させる第２の状態とを切り換えるための切換装置と、
前記第１の状態と第２の状態とを含む複数の状態を所定の順序で生じさせるように前記切換装置を切り換えると共に、前記水素消費装置への水素供給量の増加要求があった場合には、前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に該反応器内の燃料ガスを前記水素消費装置側に押し出すための作動ガスが導入されるように前記切換装置を切り換える制御装置と、
を備えた水素燃料供給システム。
前記切換装置は、前記水素消費装置の排出ガスを導入するためのガス導入路を有し、
前記制御装置は、前記水素消費装置の排出ガスが、前記ガス導入路から前記作動ガスとして前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に導入されるように、前記切換装置を切り換える請求項１記載の水素燃料供給システム。
前記制御装置は、前記再生排ガスが、前記作動ガスとして前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に導入されるように、前記切換装置を切り換える請求項１又は請求項２記載の水素燃料供給システム。
前記切換装置は、前記各反応器の原料供給方向の上流側に水蒸気を導入するための水蒸気供給手段を有し、
前記制御装置は、前記水蒸気供給手段の水蒸気が、前記作動ガスとして前記燃料ガスを前記水素消費装置に供給している前記反応器に導入されるように、前記切換装置を切り換える請求項１記載の水素燃料供給システム。
アノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される酸素との反応によって発電を行い、アノード電極に供給される水素量に応じて発電量を変化させ得る燃料電池と、
前記燃料電池を前記水素消費装置として、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給すると共に、前記カソード電極の排出ガスを前記原料の改質用の反応ガスとして用いる請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の水素燃料供給システムと、
を備えた燃料電池システム。